Ứng dụng SMES (supperconducting magnetic energy store cuộn dây từ siêu dẫn tích trữ năng lượng) trong cải thiện chất lượng điện năng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHAN THANH CẢNH ỨNG DỤNG SMES (SUPPERCONDUCTING MAGNETIC ENERGY STORE: CUỘN DÂY TỪ SIÊU DẪN TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG) TRONG CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ÐIỆN NĂNG NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 S K C0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 03/2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHAN THANH CẢNH ỨNG DỤNG SMES (SUPPERCONDUCTING MAGNETIC ENERGY STORE: CUỘN DÂY TỪ SIÊU DẪN TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG) TRONG CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC Tp Hồ Chí Minh, tháng 03/2018 Scanned with CamScanner %Ӝ*,È2'Ө&9¬ĈҤ27Ҥ2 75ѬӠ1*ĈҤ,+Ӑ&6Ѭ3+Ҥ0.Ӻ7+8Ұ7 7+¬1+3+Ӕ+Ӗ&+Ë0,1+ 3+,ӂ81+Ұ1;e7/8Ұ19Ă17+Ҥ&6Ӻ 'jQKFKRJLҧQJYLrQSKҧQELӋQ 7rQÿӅWjLOXұQYăQWKҥFVӻ ӬQJGөQJ60(66XSSHUFRQGXFWLQJ0DJQHWLF(QHUJ\6WRUDJHFXӝQGk\Wӯ VLrXGүQWtFKWUӳQăQJOѭӧQJ WURQJFҧLWKLӋQFKҩWOѭӧQJÿLӋQQăQJ 7rQWiFJLҧ 3+$17+$1+&Ҧ1+ MSHV: 1580604 Ngành: ӻWKXұWÿLӋQ Khóa: 2015 Ĉӏnh Kѭӟng: ӬQJGөQJ +ӑYjWrQQJѭӡLSKҧQELӋQ 767UѭѫQJ9LӋW$QK &ѫTXDQF{QJWiF KRDĈLӋQĈLӋQWӱ ĈLӋQWKRҥLOLrQKӋ 0913117659 ,é.,ӂ11+Ұ1;e7 9ӅKuQKWKӭF NӃWFҩXOXұQYăQ /XұQYăQWUuQKEj\WUrQEҧQÿLӋQWӱILOHSGI QrQGӉWUDFӭXYjWuPNLӃPWX\QKLrQQrQEәVXQJFiF K\SHUOLQNWURQJILOHÿӇGӉÿӑFKѫQQӳD /XұQYăQIRUPDWÿ~QJWKHR\rXFҫXFӫDSKzQJĈjRWҥRFӫDWUѭӡQJĈ+63.77S+&0 1KuQFKXQJYӟLFҩXWU~FOXұQYăQQJѭӡLÿӑFQҳPÿѭӧFQӝLGXQJWtQKFҫQWKLӃWSKѭѫQJSKiSWLӃSFұQNӃW TXҧYjNӃWOXұQFӫDKӑFYLrQ 9ӅQӝLGXQJ 2.1 Nh̵n xét v͉–ÀŠŠ‘ƒŠб…ǡ”Ù”‰ǡЛ…ŠŽЛ…ǡŠï……Š‹Ъ––”‘‰OX̵QYăQ 7tQKNKRDKӑFFӫDOXұQYăQÿѭӧFÿiQKJLiÿҥW\rXFҫXFӫDPӝWOXұQYăQWKҥFVƭKѭӟQJӭQJGөQJ %ӕFөFFiFFKѭѫQJU}UjQJGӉWKHRG}LWKӇKLӋQKӑFYLrQQҳPÿѭӧFYҩQÿӅÿѭӧFQrXWURQJOXұQYăQ &kXYăQNK{QJVDLQJӳSKiSWURQJViQJYjÿѫQJLҧQ 2.2 Nh̵š±–¯žŠ‰‹ž˜‹Ю…•у†о‰Š‘Ц…–”À…Š†РЪ–“—М…пƒ‰рк‹Šž……ׯ“—‹¯аŠ Š‹ЮŠŠ…пƒ’Šž’Ž—С–•лŠф—–”À–—Ю 3KѭѫQJSKiSP{KuQKKyDYjP{SKӓQJ 2.3 Nh̵š±–˜Ыͭc tiêu nghiên cͱu, ph˱˯ng pháp nghiên cͱu s͵ dͭng LVTN 7iFJLҧWUuQKEj\FNJQJQKѭSKkQWtFKÿiQKJLiÿѭӧFWuQKKuQKQJKLrQFӭXYҩQÿӅOLrQTXDQÿӃQWKLӃWEӏ SMES +ӑFYLrQQrXÿѭӧFFiFOêWKX\ӃWFѫVӣYӅQJX\rQWҳFQkQJFDRFKҩWOѭӧQJÿLӋQQăQJEҵQJ60(6EӝQJKӏFK OѭXQӕLOѭӟLÿӇFKX\ӇQF{QJVXiWGӵWUӳWURQJ60(6EÿҳSFKRWҧL 2.4 Nh̵n xét T͝ng quan cͯƒ¯͉ tài 7iFJLҧÿmWLӃQKjQKP{SKӓQJKӋWKӕQJEDRJӗPKӋWKӕQJÿLӋQ0%$ÿѭӡQJGk\WҧLEӝQJKӏFKOѭXQӕL OѭӟLYjEӝ60(6 0{KuQKÿѭӧF[k\GӵQJYjP{SKӓQJWURQJ0DW/DE7K{QJVӕFiFSKҫQWӱÿҫ\ÿӫGӉWKHRG}L ӃWTXҧP{SKӓQJKӧSOêWX\QKLrQFiFWKtQJKLӋPWUrQP{KuQKFKѭDQKLӅXVӵFӕQJҳQPҥFKFiFORҥLVӵ FӕWKRiQJTXD QrQFKѭDWKұWVӵNKҷQJÿӏQKÿѭӧFPӭFÿӝѭXYLӋWFӫDEӝ60(6WURQJYLӋFQkQJFDRFKҩW OѭӧQJÿLӋQQăQJ 2.5 ŠСš±–¯žŠ‰‹ž˜͉ n͡‹†—‰Ƭ…ŠН–Žрн‰…пƒ LUẬN VĂN THẠC SĨ Với Rs L tương ứng điện trở cảm kháng cuộn dây SMES, dịng điện chế độ có cơng thức sau: 𝐼𝐼0 (𝑡𝑡 + ∆𝑡𝑡) = 𝐼𝐼0 (𝑡𝑡) (40) Với I0 dòng điện ban đầu trước chế độ hoạt động, điện trở cuộn dây SMES lúc nên dịng điện khơng thay đổi Trong hình 3.10, trình bày chế độ hoạt động thứ hệ thống SMES Chế độ hoạt động chuyển đổi tăng áp (Mạch Boost) Dòng điện lúc xả từ cuộn dây SMES nên chiều dịng điện hình 3.10 từ nơi có điện thấp đến nơi có điện cao từ -VDC đến +VDC Cuộn dây lúc giải phóng lượng để bù cho thiếu hụt công suất tác dụng, công suất phản kháng, dòng điện điện áp hệ thống điện Như hình 3.10, lúc Thyristor trạng thái OFF, dòng điện qua điốt D1 D2 Hình 3.10 Trạng thái xả chopper Ở chế độ này, phương trình điện áp tính công thức sau: 𝐼𝐼 (𝑡𝑡) 𝑉𝑉𝐷𝐷𝐷𝐷 (𝑡𝑡 + ∆𝑡𝑡) = 𝑉𝑉𝐷𝐷𝐷𝐷 (𝑡𝑡) + ( )∆𝑡𝑡 𝐶𝐶 (41) Với Rs L tương ứng điện trở cảm kháng cuộn dây SMES, dòng điện chế độ có cơng thức sau: 𝐼𝐼0 (𝑡𝑡 + ∆𝑡𝑡) = 𝐼𝐼0 (𝑡𝑡) − 𝑉𝑉𝐷𝐷𝐷𝐷 (𝑡𝑡) 𝐿𝐿 ∆𝑡𝑡 (42) Với I0 dòng điện ban đầu trước chế độ xả hoạt động, dòng điện giảm xuống cuộn dây siêu dẫn SMES khoảng thời gian Δt tính theo cơng thức Trang 37 LUẬN VĂN THẠC SĨ 3.3 Phương thức điều khiển hệ thống SMES Việc điều khiển hệ thống SMES khó khăn thực điều khiển hệ thống SMES để kiểm sốt, điều khiển tối ưu dịng cơng suất phản kháng tác dụng hệ thống Các thông số điều khiển tính tốn từ tỷ lệ dịng điện Có hai hệ thống điều khiển hệ thống SMES: Điều khiển nghịch lưu nguồn áp VSI chuyển đổi điện áp DC-DC Chopper 3.3.1 Điều khiển nghịch lưu VSI Để xây dựng điều khiển VSI, dựa vào phương trình (23) Điện áp điều khiển bus DC thiết lập sai số phần trăm điện áp chiều đầu VDC VSC điện áp chiều tham chiếu VDCREF nhằm tạo sai lệch điện áp trục d (VDREF) Điện áp tỷ lệ với điện trở Rp mạch cầu Chopper để có dịng điện tham chiếu IDREF trục d Dòng điện kết hợp với dòng Id từ khung tham chiếu d-q, kết kết hợp trì Id với hệ số tỷ lệ KD (KD= Ls’/Rs) lọc để tạo Vdref Dòng điện Iq từ khung tham chiếu d-q qua trở kháng ωLs để tạo điện áp trục d Điện áp Vdref kết hợp với điện áp trục d tạo điện áp Vd [19] Hình 3.11 thể sơ đồ khối điều khiển VSI: Hình 3.11 Sơ đồ khối mơ hình tốn điều khiển VSI Dựa mơ hình tốn thơng số hệ thống lưới điện cho để thiết lập mơ hình hóa mơ Matlab thể hình 3.11.1 Trang 38 LUẬN VĂN THẠC SĨ Hình.3.11.1 Mơ hình mơ Simulink điều khiển VSI Tương tự điều khiển DC, điều khiển AC tạo dòng điện tham chiếu trục q từ điện áp xoay chiều VAC điện áp xoay chiều tham chiếu VACREF Điện áp điều khiển AC hiển thị phần trăm sai lệch điện áp xoay chiều ngõ VAC VSC với điện áp tham chiếu VACREF nhằm tạo sai lệch điện áp trục d (VDREF) Điện áp tỷ lệ với tổng trở Z máy biến áp để có dòng điện tham chiếu IQREF trục d Dòng điện kết hợp với dòng Id từ khung tham chiếu d-q, kết kết hợp trì Id với hệ số tỷ lệ KD (KD= Ls’/Rs) lọc để tạo Vqref Dòng điện Iq từ khung tham chiếu d-q qua trở kháng ωLs để tạo điện áp trục q Điện áp Vqref kết hợp với điện áp trục q tạo điện áp Vq [19] Cả hai điện áp Vd Vq thông qua chuyển đổi sang điện áp ba pha Vabc cung cấp cho PWM để tạo xung điều khiển 3.3.2 Điều khiển DC-DC Chopper Theo tài liệu [19], điều khiển Chopper hoạt động dựa chu kỳ nhiệm vụ D chế độ sạc Việc tính tốn chu kỳ nhiệm vụ dựa công suất truyền tải công suất xoay chiều AC công suất chiều DC hệ thống phương trình (34) (35) Hình 3.12 biểu diễn sơ đồ hệ thống điều khiển DC chopper Trang 39 LUẬN VĂN THẠC SĨ Hình 3.12 Sơ đồ khối mơ hình tốn điều khiển DC Chopper Dựa mơ hình tốn thơng số hệ thống lưới điện cho để thiết lập mơ hình hóa mơ Matlab thể hình 3.12.1 Hình.3.12.1 Mơ hình mơ Simulink điều khiển DC-DC chopper Dòng điện qua cuộn dây SMES nhân với điện áp DC để có cơng suất chiều PDC, lượng công suất công suất xoay chiều PAC Công suất xoay chiều PAC chia cho điện áp ngõ VAC ta dịng điện tích trữ Dòng kết hợp với dòng đo VSI nhằm điều khiển chu kỳ nhiệm vụ DX Chu kỳ nhiệm vụ D tính theo phương trình sau: 𝐷𝐷 = 0.5(1 + 𝐷𝐷𝑋𝑋 ) Trang 40 (43) LUẬN VĂN THẠC SĨ Chu kỳ nhiệm vụ D cho phép nạp, xả nghỉ DC-DC Chopper theo giá trị sau: D = 0.5, Chế độ nghỉ D > 0.5, Chế độ sạc D < 0.5, Chế độ xả Trang 41 LUẬN VĂN THẠC SĨ CHƯƠNG MÔ PHỎNG HỆ THỐNG SMES TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN SỬ DỤNG PHẦN MỀM MATLAB 4.1 Sơ đồ khối tổng thể hệ thống Trong chương 3, tác giả xây dựng hệ thống lưới điện phần mềm Matlab Để khảo sát đặc tính hệ thống điện trường hợp có khơng có SMES lưới xãy cố thoáng qua tải có tính chất tiêu thụ cơng suất phản kháng trường hợp ngắn mạch thoáng qua, hệ thống đề xuất xây dựng khối hình 4.1 Như vậy, có hai mơ hình hoạt động song song, mơ hình khơng có hệ thống SMES kết nối lưới điện, mơ hình có hệ thống SMES kết nối lưới Hình 4.1 Mơ hình hệ thống điện xây dựng Simulink với hai trường hợp có khơng có SMES với đối tượng tải thâm nhập thống qua QL Mơ hình hệ thống SMES xây dựng theo cấu trúc hình Trang 42 LUẬN VĂN THẠC SĨ Hình 4.11 Mơ hình hệ thống SMES Để sạc cho cuộn dây SMES phụ thuộc vào điện áp đầu vào SMES giá trị độ tự cảm cuộn dây SMES Hoạt động hệ thống SMES nghiên cứu trước có giá trị khác tác giả trình bày cụ thể, ví dụ báo [2], hoạt động với tổng độ tự cảm cuộn dây SMES khoảng 68.724H ( x {8.334H(tự cảm cuộn dây)+3.12H(hỗ cảm)} điện áp 24kV, tài liệu [3], cuộn dây có độ tự cảm 21.1H với điện áp 6kV, tài liệu [23] với độ tự cảm 12.5H điện áp 415V Giá trị cao độ tự cảm khoảng thời gian để sạc đến giá trị dự kiến Để tránh thời gian mô phỏng, đề tài mô với cuộn dây SMES có độ tự cảm 1H, tụ điện liên kết DC có dung lượng 0.02F Dịng điện qua cuộn dây SMES tối đa lên đến 4000A Như vậy, lượng tối đa mà SMES lưu trữ 8.000.000J (t=5s) Giá trị tự cảm cuộn dây dòng điện lớn sạc cho cuộn dây tùy vào thực tế mà ta thay đổi cho phù hợp 4.2 Trạng thái ổn định hệ thống Để so sánh, hệ thống điện đề tài đồng thời chạy mơ hệ thống có thơng số giống Một mơ hình có kết nối với hệ thống SMES, mơ hình hoạt động bình thường Ở trạng thái ổn định, hai mơ hình hoạt động khơng có phụ tải thâm nhập vào hệ thống Kết trường hợp cho thấy hai Trang 43 LUẬN VĂN THẠC SĨ hệ thống có hay khơng có kết nối SMES tương đương Kết mô cho kết Do vậy, ta nhận thấy rằng, hệ thống hoạt động bình thường khơng có mục tiêu thâm nhập khơng có ảnh hưởng hệ thống SMES với lưới điện Các giá trị đo hệ thống điều kiện ổn định thể hình 4.2.1 Đo lường thơng số hệ thống Dạng sóng điện áp hệ thống 11kV (a) (b) Trang 44 LUẬN VĂN THẠC SĨ Hình 4.2 Dạng sóng điện áp 11kV, (a) hệ thống có SMES, (b) hệ thống khơng có SMES Điện áp đo hai trường hợp hệ thống thấp điện áp định mức hệ thống (11kVrms = 11.55kV) Sự sụt áp điện áp rơi trình truyền tải, điện áp rơi thành phần hệ thống đường dây, máy biến áp Điện áp 11kV hai hệ thống có SMES hay khơng có SMES hồn tồn giống điều kiện làm việc bình thường lưới điện Rõ ràng, ta nhận thấy hình 4.3, điện áp dây hai dây pha AB hai trường hợp Hình 4.3 Dạng sóng điện áp dây trung bình đường dây 11kV hai trường hợp có hệ thống SMES khơng có hệ thống SMES điều kiện hoạt động bình thường lưới điện, đường đồ thị màu xanh dương điện áp hệ thống điện có hệ thống SMES đồ thị màu hồng điện áp hệ thống điện khơng có hệ thống SMES 4.2.2 Đo lường thông số hệ thống SMES Điện áp đầu vào hệ thống SMES dao động mức 580V, nằm khoảng giá trị điện áp định mức (400𝑥𝑥√2 = 565𝑉𝑉) Trang 45 LUẬN VĂN THẠC SĨ Hình 4.4 Điện áp hệ thống SMES điều kiện bình thường Để tránh ảnh hưởng cuộn dây SMES, giá trị chọn lựa tụ điện thấp 0.1F, điện áp liên kết DC dao động khoảng gần 100V theo Hình 4.5 Hình 4.5 Điện áp liên kết DC hệ thống SMES điều kiện bình thường Ở điều kiện làm việc bình thường hệ thống điện, hệ thống SMES trạng thái hoạt động sạc chờ Điện áp cuộn SMES phụ thuộc vào chế độ sạc chờ SMES Theo quan sát hình 4.6 (a), SMES trạng thái sạc (chế độ buck), dòng điện qua cuộn dây SMES từ nơi có điện cao đến nơi có điện thấp Điện áp cuộn dây SMES mang giá trị dương, sau khoảng thời gian âm Đó nhạy cảm trình điều khiển gây chu kỳ nhiệm vụ chế độ xả Có thể nhìn thấy từ hình 4.6 (b), giống Trang 46 LUẬN VĂN THẠC SĨ chế độ chờ, hầu hết điện áp chịu ảnh hưởng điện áp trước chế độ chờ chịu ảnh hưởng điều khiển (a) (b) Hình 4.6 Điện áp cuộn dây SMES, (a) trạng thái điện áp chế độ sạc (b) điện áp chế độ chờ Trang 47 LUẬN VĂN THẠC SĨ Dòng điện cuộn dây SMES: Hình 4.7 Dịng điện qua cuộn dây SMES chế độ sạc chế độ chờ Khi hệ thống bắt đầu chế độ sạc, dòng điện cuộn dây SMES tăng lên đạt giá trị dịng điện tối đa thiết lập trước hệ thống Khi đạt giá trị tối đa, hệ thống chuyển sang chế độ chờ với giá trị dòng điện khơng đổi Trong mơ này, dịng điện cực đại (4000Amps) lưu trữ chế độ sạc với thời gian nạp khoảng 18s hình 4.7 4.3 Trạng thái hệ thống có phụ tải thâm nhập với QL =100 kVAR Khi có phụ tải xâm nhập vào hệ thống, phụ tải kết nối ngưng kết nối với thời gian khảo sát giây thứ 40 khoảng khảo sát 10 chu kỳ Đo lường thông số hệ thống điện: Điện áp hệ thống 11kV Trang 48 LUẬN VĂN THẠC SĨ (a) (b) Hình 4.8 Điện áp 11kV phụ tải thâm nhập lưới điện, (a) lưới điện có kết nối với hệ thống SMES (b) lưới điện khơng có kết nối với hệ thống SMES Như thấy hình 4.8, có phụ tải thâm nhập vào hệ thống, phụ tải kết nối ngắt kết nối thường xuyên gây nên tượng dao động điện áp hệ thống điện trường hợp hệ thống có sử dụng SMES hệ thống cịn lại khơng sử dụng SMES Điện áp hệ thống có dao động trước trở lại trạng thái ổn định hình sin Dựa vào kết mô phỏng, tác giả nhận thấy trường hợp hệ thống có SMES, điện áp phục hồi trạng thái ổn định nhanh so với trường hợp khơng có SMES Ở trường hợp b, hệ thống khơng có SMES kết nối lưới điện, điện áp bị dao động rõ kéo dài khoảng thời gian trễ gây ảnh hưởng nhiều đến lưới điện Cũng sở kết thu được, Trang 49 LUẬN VĂN THẠC SĨ chứng tỏ hệ thống điện nhận bù công suất từ lượng lưu trữ SMES truyền lên lưới điện để bù đắp cho thiếu hụt công suất có phụ tải thâm nhập thống qua vào lưới điện Điện áp hệ thống dao động nhẹ, nhanh chóng ổn định trường hợp Trong hình 4.9, kết điện áp trung bình pha hệ thống điện hai trường hợp Đường màu hồng, thể giá trị điện áp trung bình pha hệ thống khơng có SMES kết nối lưới điện Đường màu xanh, trị điện áp pha trung bình hệ thống có ảnh hưởng SMES lên lưới điện Dựa vào đồ thị, ta dễ dàng nhận thấy trường hợp hệ thống có SMES, giá trị điện áp dao động có điện áp cao so với trường hợp hệ thống khơng có SMES kết nối lưới điện Hiện tượng méo dạng biên độ điện áp có tải thâm nhập thoáng qua thành phần hài bậc cao sinh xảy lưới, nguyên nhân sinh méo hài chủ yếu nằm phía tải Các tải phi tuyến (VD thường thấy nhà máy dùng biến đổi điện tử công suất chỉnh lưu để mạ, sơn tĩnh điện, nghịch lưu tần số cao luyện thép, v.v.) hoạt động phát sóng hài bậc cao vào lưới, làm méo dạng sóng lưới, tải phi tuyến có cơng suất lớn thường gây tượng giai đoạn độ với thời gian ngắn Hình 4.9 Trị điện áp trung bình đường dây 11kV hai hệ thống có khơng có hệ thống SMES có phụ tải thâm nhập lưới điện, màu xanh điện áp hệ thống điện có kết nối hệ thống SMES màu hồng điện áp hệ thống điện khơng có hệ thống SMES Trang 50 LUẬN VĂN THẠC SĨ 4.3.1 Đo lường thông số hệ thống SMES Điện áp ngõ vào hệ thống SMES (a) (b) Trang 51 ... THANH CẢNH ỨNG DỤNG SMES (SUPPERCONDUCTING MAGNETIC ENERGY STORE: CUỘN DÂY TỪ SIÊU DẪN TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG) TRONG CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 Hướng dẫn khoa học:... vào Từ đó, tiến hành mô đánh giá hệ thống qua phần mềm Matlab Học viên chọn đề tài: ? ?Ứng dụng SMES (Supperconducting Magnetic Energy Store: Cuộn dây từ siêu dẫn tích trữ lượng) cải thiện chất lượng. .. TẮT Ứng dụng hệ thống cuộn dây từ siêu dẫn tích trữ lượng (SMES) dần trở thành ứng dụng quan trọng để ổn định công suất điều khiển hệ thống điện Xu hướng ứng dụng hệ thống SMES vào mạng lưới điện