Hình 3.17 Dạng sóng điện áp ngõ ra trên pha A
Sự hình thành điện áp 3 pha như sau: (Xét trường hợp tải R mắc Y). Giả sử Q4, Q5 và Q6 đang mở.
- t = 0: Cho xung điều khiền mở Q1 và tắt Q4. 0 < t < T/6: Q5, Q6 và Q1 mở nên = E/3.
- t = T/6: Cho xung điều khiền mở Q2 và tắt Q5. T/6 < t < 2T/6: Q5, Q1 và Q2 mở nên = 2E/3.
Lập luận tương tự ta có điện áp trên tải pha a vAn như hình 3.18. Hình dạng điện áp trên tải pha b và pha c giống pha a nhưng lần lược lệch nhau 1/3 và 2/3 chu kỳ. Điện áp hiệu dụng trên mổi pha tải:
V = √ 1 ∫0 2 = √ 2 [ ∫0 /6 (3)2 + ∫ /62 /6 (2 3)2 + ∫2 /6 /2 (3)2
] =
√2
3
MOSFET và IGBT là hai linh kiện bán dẫn thường được sử dụng trong bộ biến tần DC-AC. Việc lựa chọn linh kiện bán dẫn phụ thuộc vào công suất:
+ Công suất nhỏ hơn 5 KVA và điện áp nhỏ hơn 96 VDC thì sử dụng MOSFET. Đồng thời, MOSFET có ưu điểm là tổn hao cơng suất ở tần số cao, do có điện áp rơi là
2 VDC.
+ Công suất lớn hơn 5 KVA và điện áp lớn hơn 96 VDC thì sử dụng IGBT
2.5 Máy biến áp
2.5.1 Máy biến áp 3 pha
Máy biến áp ba pha được dùng để cung cấp tải lớn và phân phối điện lớn. Mặc dù hầu hết các thiết bị sử dụng được kết nối bởi các máy biến áp một pha, tuy nhiên chúng không phù hợp để phân phối điện lớn.
Nguồn điện ba pha được sử dụng trong hầu hết các lĩnh vực của hệ thống điện như phát điện, truyền tải và phân phối, tất cả các ngành công nghiệp đều được cung cấp hoặc kết nối với hệ thống ba pha. Do đó, để tăng cường hoặc giảm điện áp trong hệ thống ba pha, máy biến áp ba pha được sử dụng. So với máy biến áp một pha, có rất nhiều ưu điểm với máy biến áp 3 pha như nhỏ hơn và nhẹ hơn để xây dựng cho cùng cơng suất, đặc tính vận hành tốt hơn, v.v.
Hình 3.18 Mơ hình máy biến áp trong Matlap
Trong mơ hình nghiên cứu, nguồn năng lượng điện sản xuất ra hầu hết phải truyền đi rất xa, do vậy rất cần tăng giảm áp ở hai đầu, máy biến áp được lắp đặt tại bus khu vực sản xuất năng lượng tái tạo để tăng áp truyền đi xa thông qua đường dây truyền tải và đặt ở bus phía hạ áp đẻ cấp điện phù hợp với tải.
2.5.2 Cấu tạo máy biến áp ba pha
2.5.2.1 Lõi thép
Đây là một trong những thành phần chính, cốt lõi tạo nên máy biến áp 3 pha. Ở lõi thép của máy biến áp này có tổng cộng 3 trụ để quấn dây. Mặt khác, trụ này cũng dùng gơng từ và khép kín mạch từ. Thành phần chính tạo nên chúng chính là những lá thép kỹ thuật điện, 2 mặt phủ sơn cách điện và được ghép lại thành hình trụ.
Hình 3.19 Lõi máy biến áp 3 pha2.5.2.2 Dây quấn 3 pha 2.5.2.2 Dây quấn 3 pha
Mỗi máy biến áp 3 pha có tổng cộng là 6 dây được bao bọc cách điện và quấn xung quanh trụ. Hiện nay, trên thị trường có khá nhiều loại máy biến áp 3 pha, nhưng những loại máy biến áp 3 pha dưới đây vẫn đang được ưu ái sử dụng nhiều nhất:
- Máy biến áp 3 pha cách ly.
- Máy biến áp 3 pha tự ngẫu.
- Máy biến áp 3 pha ngâm dầu.
2.5.2.3. Vỏ máy
Vỏ máy cũng là bộ phận quan trọng, giúp bảo quản máy và duy trì tuổi thọ cho máy. Thông thường, vỏ máy biến áp 3 pha được làm từ nguyên liệu nhựa, sắt, thép,..tùy
theo kết cấu của máy và từng hãng máy biến áp 3 pha mà chúng sẽ được cấu tạo khác nhau.
2.5.3 Nguyên lý hoạt động của máy biến áp 3 pha
Để dễ hình dung, theo hình dưới đây, trong đó sơ cấp của máy biến áp được kết nối theo kiểu sao trên lõi. Để đơn giản, chỉ có cuộn dây sơ cấp được hiển thị trong hình được kết nối qua nguồn cung cấp AC ba pha. Ba lõi được sắp xếp một góc 120o với nhau. Chân trống còn lại của mỗi lõi được kết hợp sao cho chúng tạo thành chân trung tính như trong hình.
Hình 3.20 Sơ đồ cuộn sơ cấp trong máy biến áp nối hình sao.
Khi sơ cấp được kích thích với nguồn cung cấp ba pha, các dòng IR, IY và IB bắt đầu chảy qua các cuộn dây pha riêng lẻ. Những dịng điện này tạo ra từ thơng ΦR, ΦY và ΦB trong các lõi tương ứng. Vì chân trung tính là phổ biến cho tất cả các lõi, nên tổng của cả ba từ thông được mang theo. Trong hệ ba pha, tại bất kỳ thời điểm nào, tổng vectơ của tất cả các dịng đều bằng khơng. Đổi lại, ngay lập tức tổng của tất cả các từ thông là như nhau. Do đó, chân trung tính khơng mang bất kỳ thơng lượng nào. Vì vậy, ngay cả khi chân trung tính bị loại bỏ, nó khơng tạo ra sự khác biệt trong các điều kiện khác của máy biến áp.
Các thông lượng này tạo ra các từ trường thứ cấp trong pha tương ứng sao cho chúng duy trì góc pha giữa chúng. Các từ trường này điều khiển các dòng điện trong thứ cấp và do đó tải. Tùy thuộc vào loại kết nối được sử dụng và số vòng quay trên mỗi pha,
2.6 Lưới điện
Theo dự báo của các diễn đàn năng lượng tái tạo, việc lắp đặt DERs sẽ tăng mạnh mẽ vào những năm tới, giai đoạn từ năm 2020-2025. Ngoài sự đề cập về doanh thu, lợi nhuận kinh tế thì vấn đề về sự đáp ứng việc truyền tải – phân phối điện năng, chất lượng điện năng và độ tin cậy là những vấn đề rất quan trọng.
Lưới điện sẽ hiện diện trong các mơ hình vận hành nối lưới, lưới điện giúp nâng cao độ tin cậy của điện năng khi có sự cố và giúp việc cung cấp điện cho các tải quan trọng không bị gián đoạn.
Lưới điện phải thỏa các các chỉ tiêu đánh giá chất lượng điện năng theo Tiêu chuẩn
IEEE 519–1992 về sóng hài dịng & áp:
+ Tần số: Tần số tiêu chuẩn của hệ thống mạng lưới điện Việt Nam là 50Hz
Trong điều kiện bình thường, dải dao động cho phép là ±2% so với tần số tiêu chuẩn
Trong điều kiện hệ thống chưa ổn định, dải dao động cho phép là ±5% so với tần số tiêu chuẩn
+ Điện áp:
Các cấp điện áp tiêu chuẩn bao gồm: 110 kV, 35 kV, 22 kV, 15 kV, 10 kV, 06 kV và 0,4 kV.
Trong điều kiện bình thường, phạm vi điện áp dao động so với điện áp tiêu chuẩn là:
Với khách hàng: ± 05 %
Với nhà máy điện: + 10% và — 05 % + Cân bằng pha:
Trong chế độ làm việc bình thường, thành phần thứ tự nghịch của điện áp pha không vượt quá 3 % điện áp tiêu chuẩn đối với cấp điện áp 110 kV hoặc 5 % điện áp tiêu chuẩn đối với cấp điện áp trung áp và hạ áp.
Khi DERs không đảm bảo được công suất phát cũng như chất lượng điện năng, thì microgrid sẽ vận hành ở chế độ kết nối với lưới điện để đảm bảo nhu cầu cho tải. Bởi vì, chất lượng điện năng là nguyên nhân trực tiếp ảnh hưởng đến quá trình hoạt động của thiết bị cũng như tuổi thọ của nó. Thậm chí, đối với các thiết bị bán dẫn có thể bị làm hỏng khi chất lượng điện năng thấp làm sụt áp mặc dù xảy ra trong thời gian ngắn.
Hình 3.21 Mơ hình lưới điện và truyền tải trong mơi trường Matlab
Hình 3.22 Mơ hình lưới điện – Utility Grid trong mơi trường Matlab
Lưới điện lực công suất 2500 MVA 120 kV thông qua máy biến áp hạ áp xuống
25 kV. Sau đó tiếp tục hạ áp xuống 260 V đáp ứng nhu cầu của tải sau khi truyền hơn
19 km được mơ phỏng như hình. Ngồi ra, trước khi hạ áp xuống 260 V, hệ thống lưới phải thông qua bộ đo lường V-I ba pha. Việc đo lường trong hệ thống là không thể thiếu
CHƯƠNG III MÔ PHỎNG LƯỚI ĐIỆN MICROGRID Ở CÁC CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH
3.1 Mơ hình POWER PV - BATTERY MICRO GRID
3.1.2 Tổng quan mơ hình
Hình 4.1 Mơ hình POWER PV - BATTERY MICROGRID trên môi trường Matlab
Lưới điện siêu nhỏ trong mơ hình này là mạng AC một pha. Nguồn năng lượng cung cấp là một mạng lưới điện, hệ thống phát điện mặt trời và pin lưu trữ.
Pin lưu trữ được điều khiển bởi bộ điều khiển pin. Nó hấp thụ năng lượng dư thừa khi có năng lượng thừa trong mạng vi mơ và cung cấp thêm năng lượng nếu thiếu điện trong mạng vi mơ. Ba hộ tiêu thụ bình thường tiêu thụ năng lượng (tối đa mỗi tải 2,5 kW) dưới dạng điện tích.
Microgrid được kết nối với mạng điện thông qua một máy biến áp được làm giảm điện áp từ 6,6 kV xuống 220 V.
Pin năng lượng mặt trời và pin lưu trữ là nguồn năng lượng DC được chuyển đổi thành AC một pha. Chiến lược điều khiển giả định rằng microgrid khơng phụ thuộc hồn tồn vào nguồn điện được cung cấp bởi lưới điện và năng lượng được cung cấp bởi quá trình sản xuất và lưu trữ năng lượng mặt trời ln ln đủ.
Hình 4.2 Lưới điện chính và đường dây truyền tải
Từ đường dây trung thế 66kV qua máy biến áp hệ thế còn 6.6 kV. Đường dây truyền tải được mơ phỏng qua mơ hình , trên đường dây có mắc “tụ bù cơng suất phản kháng” có tác dụng làm tăng hệ số cos , đồng thời làm nhẹ tải cho máy biến áp, giảm tổn thất điện năng và sụt áp trong mạng điện.
Điện áp 6.6kV tiếp tục được hạ thế xuống điện áp 220 V và được cấp sử dụng cho các hộ tiêu thụ.
Hình 4.3 Mơ hình hộ tiêu thụ phía hạ thế
Trong mơ hình này ta thấy có 3 hộ tiêu thụ: house 1, house 2 và house 3. Các nguồn năng lượng phân tán là battery và Solar panel, là nguồn năng lượng DC được chuyển đổi sang nguồn AC 1 pha.
Tùy thuộc vào năng lượng tạo được từ hệ thống PV và thời điểm cài đặt trước, bộ điều khiển sẽ tùy chọn chế độ hoạt động cho hệ thống Microgrid. Phần này sẽ được làm rõ trong mục “ các chế độ vận hành ”.
3.1.3 Các chế độ vận hành
3.1.3.1 Mô phỏng lưới điện MicroGrid ở chế độ độc lập và chế độ nối lưới
Hình 4.4 Dạng sóng ngõ ra cơng suất
- Thời gian từ 20h (ô 7.2) đến 4h (ô 1.44):
+ PV chưa tạo được năng lượng nên công suất tạo được là 0 W
+ Bộ điều khiển pin điều khiển battery chạy vào hệ thống điện cung cấp cho tải, đồng thời làm cho công suất chạy vào hệ thống điện cung cấp cho tải từ phía thứ cấp của máy biến áp bằng 0. Nên cơng suất của phía thứ cấp của máy biến áp luôn giữ bằng
1 tại thời điểm này và cơng suất tiêu thụ của tải hồn tồn lấy từ battery (giả thuyết là batery cung cấp là luôn đủ).
+ SOC ( state of charge_mức độ năng lượng của pin so với cơng suất ) sẽ giảm xuống
vì năng lượng battery bị tiêu thụ
+ Biểu đồ Power Load thể hiện thay đổi tải trong mơ hình nhà điển hình
Kết luận: Trong khoảng thời gian này, công suất tải tiêu thụ phụ thuộc hồn tồn được từ battery.
- Thời gian từ 4h đến 10h(ơ 3.6):
+ PV bắt đầu tạo năng lượng nên đường công suất của PV bắt đầu thay đổi, nhưng lượng công suất tạo ra nhỏ hơn công suất cần dùng của tải. Do đó cơng suất tiêu thụ của tải được lấy từ PV và battery. Lượng năng lượng được lấy từ PV được ưu tiên hơn, nghĩa là khi PV không cung cấp đủ cho tải thì Battery sẽ được bù vào.
+ Bộ điều khiển pin vẫn tiếp tục điều khiển làm cho công suất chạy vào hệ thống điện cung cấp cho tải từ phía thứ cấp của máy biến áp bằng 0. Nên cơng suất của phía thứ
cấp của máy biến áp luôn giữ bằng 0 tại thời điểm này
+ SOC (state of charge_mức độ năng lượng của pin so với cơng suất ) sẽ vẫn tiếp tục giảm xuống vì năng lượng battery vẫn đang bị tiêu thụ.
+ Biểu đồ Power Load thể hiện thay đổi tải trong mơ hình nhà điển hình, tại thời gian
cao điểm 9h lượng điện tiêu thụ cao nhất đạt 6.500 W.
Kết luận: Trong khoảng thời gian này, công suất tải tiêu thụ được lấy từ năng lượng PV tạo ra và vì khơng đáp ứng đủ cho cơng suất tải, nên năng lượng từ battery sẽ cung cấp song song phần năng lượng thiếu của tải tiêu thụ.
- Thời gian từ 10h đến 12h (ô 4.32) :
+ Lượng năng lượng tạo ra từ PV tăng cao, công suất tạo ra từ PV lớn hơn công suất tiêu thụ của tải. Nên lượng điện tiêu thụ của tải hoàn toàn được cung cấp từ PV, lượng
năng lượng dư từ hệ thống PV sẽ được đưa vào Baterry lưu trữ.
+ Ta thấy biểu đồ công suất của Battery đi xuống âm( nhỏ hơn 0) điều này cho thấy Battery đang được nạp.
+ SOC (state of charge_mức độ sạc của pin so với công suất ) được tăng lên.
+ Bộ điều khiển pin vẫn tiếp tục điều khiển làm cho công suất chạy vào hệ thống điện cung cấp cho tải từ phía thứ cấp của máy biến áp bằng 0. Nên cơng suất của phía thứ
Kết luận: Trong khoảng thời gian này, cơng suất tiêu thụ của tải hồn tồn được lấy từ năng lượng được tạo ra của PV. Năng lượng dư thừa được tạo ra từ PV, sẽ được nạp cho battery.
- Thời gian từ 12 h đến 18h (ô 6.48)
+ Bộ điều khiển pin giữ cho battery ở trang thái vơ hiệu hóa (khơng được sạc cũng như khơng được xả pin) mục đích cho battery được nghỉ nghơi để kéo dài tuổi thọ sử
dụng.
+ Do đó, SOC của pin lưu trữ được cố định ở mức không đổi trong thời gian này.
+ Khi thiếu điện trong lưới microgrid, nguồn điện hệ thống (phía thứ cấp của máy biến áp_secondary) sẽ cung cấp đủ năng lượng cho tải. Khi có một nguồn điện dư trong lưới microgrid, năng lượng dư được trả lại cho nguồn điện hệ thống.
Thời gian từ 12h-17h: PV có nguồn điện dư trong microgrid. Thời gian từ 17h-18h:
Thiếu điện trong microgrid. Ta thấy biểu đồ công suất Power_Secondary đi xuống, lượng công suất đi xuống biểu thị cho lượng điện lưới microgrid thiếu mà phía thứ cấp máy biến áp cung cấp cho tải.
Kết luận: Trong khoảng thời gian này, microgrid vận hành ở chế độ nối lưới. Khi năng lượng được tạo ra từ PV dư sẽ được bán lại cho lưới điện, và ngược lại, nếu thiếu năng lượng thì sẽ được bổ sung từ lưới điện chính.
* Thời gian từ 18h đến 20h(ô 7.2):
+ Bộ điều khiển pin điều khiển làm cho công suất chạy vào hệ thống điện cung cấp cho tải từ phía thứ cấp của máy biến áp bằng 0. Nên cơng suất của phía thứ cấp của máy biến áp luôn giữ bằng 0 tại thời điểm này.
+ Lượng điện năng tiêu thụ của tải được lấy từ PV và Battery.
+ SOC sẽ giảm xuống vì năng lượng battery bị tiêu thụ
Kết luận: Trong khoảng thời gian này, bộ điều khiển pin sẽ ưu tiên battery hơn là từ lưới điện chính. Cơng suất tải tiêu thụ được lấy từ năng lượng PV tạo ra và vì khơng đáp ứng đủ cho công suất tải, nên năng lượng từ battery sẽ cung cấp song song phần năng lượng thiếu của tải tiêu thụ.
TĨM TẮT QUY TRÌNH VẬN HÀNH MƠ HÌNH Thời gian
4h00-10h00 10h00- 12h00 12h00- 18h00 18h00- 20h00 3.1.3.2 Mô phỏng chế độ vận hành khi sự cố
* Vào lúc 8h, tải điện số 3 của một ngơi nhà bình thường được đặt thành TẮT trong 10 giây bởi máy cắt. Một đột biến được quan sát thấy trong năng lượng hoạt động ở phía thứ cấp của máy biến áp cực và năng lượng điện của pin lưu trữ.
Hình 4.5 Đặt tín hiệu cắt cho tải nhà số 3