1 .2Các thành phần trong MicroGrid
1.3 .1Cấu trúc MicroGrid AC
2.3.1 Bộ Boost Converter (DC/DC) trong hệ thống năng lượng mặt trời
Hình 3.10 Vị trí kết nối bộ Boost Converter (DC/DC)
Điện được tạo ra từ hệ thống PV là dòng DC và ở điện áp thấp, cùng với những lý do, thí nghiệm, phân tích, nghiên cứu và làm việc trên quang điện cũng ngày càng tăng lên. Việc sử dụng các mạch chuyển đổi điện tử công suất là cần thiết để tối ưu hóa năng lượng sản xuất cho phù hợp và sử dụng hiệu quả các hệ thống quang điện. Bộ chuyển đổi DC-DC được sử dụng để cải thiện hiệu suất của năng lượng được tạo ra từ RES (Renewable Enery Sources). Pin quang điện cung cấp điện áp thấp so với những u cầu cho đầu vào của biến tần. Chính vì vậy, bộ Boost DC DC được đặt ở vị trí này làm tăng điện áp do PV tạo ra phù hợp với đầu vào của biến tần, cho hiệu suất cao, và dao động thấp của đầu vào, chi phí lắp đặt thấp và kích thước giảm.
Hình 3.11 Bộ boost converter trong mơ hình mơ phỏng matlap 2.3.2 Nguyên lý bộ DC-DC Boost Converter matlap 2.3.2 Nguyên lý bộ DC-DC Boost Converter
Bộ chuyển đổi tăng là một hệ thống truyền điện áp đầu ra đến mức điện áp cao hơn bằng cách tăng điện áp chính xác ở đầu vào của bộ chuyển đổi. Hình cho thấy dạng mạch cơ bản. Như được hiển thị trong hình, cơng tắc bán dẫn bao gồm đi-ốt, cuộn cảm.
Khi khóa mở, dịng điện bị giảm. Tuy nhiên dịng điện hoặc sự sụt giảm này được chống lại bởi cuộn dây. Chiều cuộn dây đảo ngược (bên trái cuộn dây mang dấu âm). Kết quả ta có hai nguồn điện sẽ nạp năng lượng cho tụ thơng qua diode D.
Hình 3.12 Quá trình hoạt động của Boost được chia thành hai chế độ.
Chế độ 1: chế độ liên tục, bắt đầu khi bật cơng tắc SW ở t = 0. Dịng điện đầu vào tăng chạy qua cuộn cảm L và switch . Trong chế độ này, năng lượng được lưu trữ trong cuộn cảm và tải được cung cấp bởi dòng tụ.
Chế độ 2: chế độ không liên tục, bắt đầu khi công tắc bị tắt ở t = kT. Hiện tại đó là chảy qua cơng tắc bây giờ sẽ chảy qua cuộn cảm L, diode D, tụ điện đầu ra C và tải
R . Dòng điện dẫn rơi cho đến khi công tắc được bật lại trong chu kỳ tiếp theo. Trong thời gian này, năng lượng được lưu trữ trong cuộn cảm được truyền đến tải cùng với điện áp đầu vào. Do đó, điện áp đầu ra lớn hơn điện áp đầu vào với
Hình 3.14 Chế độ 2
2.4 Bộ nghịch lưu ( DC/AC )
2.4.1 Bộ nghịch lưu ( DC/AC ) trong hệ thống năng lượng mặt trời
Trong Microgrid, bộ biến tần DC-AC có chức năng chuyển đổi nguồn điện một chiều sau khi qua bộ DC_DC thành nguồn điện xoay chiều (110 VAC hoặc 220 VAC) có tần sồ 50 Hz hoặc 60 Hz để đáp ứng các tải sử dụng nguồn điện xoay chiều. Nguồn điện một chiều thông thường là điện áp chỉnh lưu, acquy và các nguồn điện một chiều độc lập khác. Nguồn đầu vào của bộ DC/AC ở mức điện áp là 12, 24, 48, 96, 120, 240 VDC phụ thuộc vào từng hệ.
Hình 3.15 Bộ chuyển đổi DC-AC [6] 2.4.2 Nguyên lý hoạt động
Sơ đồ bộ nghịch lưu cầu 3 pha gồm ba bán cầu, các diode hoàn năng lượng và bảo vệ các transistor chỉ có tác dụng khi tải có tính cảm kháng. Khi có một transistor được mở thì transistor trong cùng một bán cầu phải được tắt. Để có điện áp 3 pha, người ta cho xung điều khiển mở các transistor theo trình tự: Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6, Q1, …
Thời gian mở mỗi transistor trong một chu kỳ To=2 (Trong thực thực tế To<2). Khoảng cách giữa hai thời điểm mở liên tiếp là 6.
Hình 3.16 Cấu trúc của một biến tần 3 pha
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 gông 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. Thơng 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 dòng đều bằng không. Đổi lại, ngay lập tức tổng của tất cả các từ thơng 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 dịng 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 cơng 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 môi 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 mơi 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 thơng 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 ln 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 công 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, cơng suất tải tiêu thụ phụ thuộc hồn tồn được từ battery.
- Thời gian từ 4h đến 10h(ô 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 cơng 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 ln giữ bằng 0 tại thời điểm này
+ SOC (state of charge_mức độ năng lượng của pin so với công 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