Trong nội dung chương 1 đã nghiên cứu đặc điểm cấu trúc hệ thống và các vấn đề điều khiển trong hệ thống điện độc lập nguồn phát hỗn hợp giữa các nguồn năng lượng truyền thống từ với các nguồn năng lượng tái tạo để hình thành lên hệ thống phát điện lai mà trong đó hệ thống phát điện lai năng lượng mặt trời - Dieezen là đối tượng điển hình thu hút các công trình nghiên cứu trên thế giới. Trong đó, hệ thống phát điện Diezen đóng vai trò thiết lập lưới cơ sở, hệ phát điện năng lượng mặt trời được điều khiển cấp năng lượng lên lưới, kho điện đóng vai trò là một thiết bị phụ trợ thực hiện chức năng ổn định ngắn hạn công suất đầu ra của hệ phát điện năng lượng mặt trời tránh lây lan các biến động công suất có thể dẫn tới nguy cơ mất ổn định hệ thống. Dự kiến sử dụng siêu tụ làm thiết bị tích trữ năng lượng và sẽ đề xuất cấu trúc điều khiển thích hợp theo phương án bù phân tán. Chương tiếp theo sẽ đi sâu cấu trúc và điều khiển thiết bị kho điện dùng siêu tụ.
Chương 2
XÂY DỰNG MÔ HÌNH THIẾT BỊ KHO ĐIỆN SỬ DỤNG SIÊU TỤ 2.1. Giới thiệu các bộ biến đổi DC - DC
Mục đích của bộ biến đổi DC - DC là tạo ra điện áp một chiều được điều chỉnh để cung cấp cho các phụ tải biến đổi. Trong một số trường hợp điện áp một chiều được tạo ra bằng cách chỉnh lưu từ lưới có điện áp biến thiên liên tục. Bộ biến đổi DC - DC thường được sử dụng trong các yêu cầu điều chỉnh được công suất nguồn một chiều, ví dụ như máy tính, thiết bị đo lường, thông tin liên lạc, nạp điện cho ắc quy, siêu tụ,… ngoài ra bộ biến đổi DC - DC còn được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều.
Các bộ biến đổi DC - DC là các bộ biến đổi xung nó có thể là các bộ biến đổi một góc phần tư, hai góc phần tư và bốn góc phần tư. Bộ giảm áp (Buck) và bộ tăng áp (Boost) là các cấu trúc biến đổi một góc phần tư cơ bản. Bộ biến đổi xung hai góc phần tư là bộ biến đổi xung đảo chiều dòng điện, bao gồm hai bộ biến đổi xung cơ bản là bộ biến đổi xung tăng áp và bộ biến đổi xung giảm áp.
Hình 2.1: Bộ biến đổi tăng - giảm áp
Bộ giảm áp bao gồm SBK và DBK, công suất được cung cấp từ nguồn đến tải. Bộ tăng áp gồm SBS và DBS công suất được chảy ngược về nguồn. Các bộ biến đổi xung đảo dòng có thể chuyển từ chế độ nguồn cung cấp sang chế độ tái sinh rất thuận lợi và rất nhanh chóng chỉ bằng các tín hiệu điều khiển cho SBK và SBS mà không cần bất cứ chuyển mạch cơ khí nào.
Bộ biến đổi DC - DC là bộ biến đổi công suất bán dẫn, có hai cách để thực hiện các bộ biến đổi DC - DC kiểu chuyển mạch: dùng các tụ điện chuyển mạch và dùng các điện cảm chuyển mạch. Dùng các tụ điện chuyển mạch thì chúng ta phải tạo được nguồn dòng là tín hiệu đầu vào còn với việc dùng điện cảm chuyển mạch thì đầu vào là nguồn áp ta thấy dùng điện cảm chuyển mạch sẽ đơn giản hơn vì tạo ra một nguồn áp dễ dàng hơn tạo ra một nguồn dòng, giải pháp dùng điện cảm chuyển mạch có ưu thế hơn ở các mạch công suất lớn.
Các bộ biến đổi DC - DC thường được sử dụng trong các hệ thống năng lượng tái tạo như các hệ thống quang điện, pin nhiên liệu ắc quy và các hệ thống năng lượng Mặt trời và bánh đà để chuyển đổi điện áp một chiều thành điện áp phù hợp cho các ứng dụng hoặc có biên độ thích hợp để chuyển đổi thành điện áp xoay chiều trước khi đưa vào lưới.
2.2. Các bộ biến đổi DC - DC giảm tăng áp không cách ly
2.2.1. Bộ biến đổi giảm áp (buck)
Bộ giảm áp tạo ra điện áp DC đầu ra nhỏ hơn điện áp đầu vào, việc điều khiển các khóa chuyển mạch rất đơn giản, chỉ đóng và mở các khóa theo chu kỳ kết quả là tạo ra điện áp DC đầu ra nhỏ hơn đầu vào. Bộ buck converter thông thường để điều chỉnh điện áp nguồn cung cấp chất lượng cao như mạch nguồn máy tính và các thiết bị đo lường. Bộ buck converter còn được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều bằng cách thay đổi điện áp phần ứng.
Hình 2.3: Điện áp và dòng qua cuộn cảm
Bộ biến đổi buck hoạt động theo nguyên tắc sau: khi khóa S đóng, điện áp chênh lệch giữa đầu vào và đầu ra đặt lên điện cảm, làm dòng điện trong điện cảm tăng dần theo thời gian. Khi khóa S ngắt, điện cảm có khuynh hướng duy trì dòng điện qua nó sẽ tạo điện áp cảm ứng đủ để diode D phân cực thuận. Điện áp đặt vào điện cuộn cảm lúc này ngược dấu với khi khóa S đóng và có độ lớn bằng điện áp đầu ra cộng với điện áp rơi trên diode D, khiến cho dòng điện qua điện cảm giảm dần theo thời gian. Tụ điện đầu ra có giá trị đủ lớn để dao động điện áp tại đầu ra nằm trong giới hạn cho phép. Ở trạng thái xác lập, dòng điện đi qua điện cảm sẽ thay đổi tuần hoàn, với giá trị của dòng điện ở cuối chu kỳ trước bằng với giá trị của dòng điện ở đầu chu kỳ sau. Xét trường hợp dòng điện tải có giá trị đủ lớn để dòng điện qua điện cảm là liên tục. Vì điện cảm không tiêu thụ năng lượng (điện cảm lý tưởng), hay công suất trung bình trên điện cảm là bằng 0, và dòng điện trung bình của điện cảm là khác 0, điện áp rơi trung bình trên điện cảm phải là 0. Gọi T là chu kỳ chuyển mạch (switching cycle), T1 là thời gian đóng khóa S, và T2 là thời gian ngắt khóa S. Như vậy, T = T1 + T2. Giả sử điện áp rơi trên diode D, và dao động điện áp đầu ra là khá nhỏ so với giá trị của điện áp đầu vào và đầu ra. Khi đó, điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi đóng khóa S là 1
in out
T
(U - U )
T , còn điện
áp rơi trung bình trên điện cảm khi ngắt khóa S là 2 out
T U T
.
diễn là: 1 2 in out out T T (U - U ) U 0 T T (2.1) hay 1 1 2 1 in out in out T T T T U U 0 U U T T T (2.2) Giá trị T1 T
thường được gọi là chu kỳ nhiệm vụ (duty cycle).
Như vậy:
out in out in
U U ( 0 1) 0 U U (2.3)
Với các bộ biến đổi buck, vấn đề thường được đặt ra như sau: cho biết phạm vi thay đổi của điện áp đầu vào Uin, giá trị điện áp đầu ra Uout, độ dao động điện áp đầu ra cho phép, dòng điện tải tối thiểu Iout, min, xác định giá trị của điện cảm, tụ điện, tần số chuyển mạch và phạm vi thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ, để đảm bảo ổn định được điện áp đầu ra.
Phạm vi thay đổi của điện áp đầu vào và giá trị điện áp đầu ra xác định phạm vi thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ :
out out min max in max in min U U ; U U (2.4)
Bộ biến đổi có hai chế độ hoạt động là chế độ hoạt động liên tục và chế độ gián đoạn, chế độ liên tục là dòng điện qua cuộn cảm luôn lớn hơn không do đó yêu cầu cuộn cảm phải có giá trị lớn, còn chế độ gián đoạn dòng điện qua cuộn cảm có thể lớn hơn hoặc bằng không.
Thông thường, các bộ biến đổi buck chỉ nên làm việc ở chế độ dòng điện liên tục qua điện cảm. Tại biên của chế độ dòng điện liên tục và gián đoạn, độ thay đổi dòng điện sẽ bằng 2 lần dòng điện tải. Như vậy, độ thay đổi dòng điện cho phép bằng 2 lần dòng điện tải tối thiểu. Điện cảm phải đủ lớn để giới hạn độ thay đổi dòng điện ở giá trị này trong điều kiện xấu nhất, tức là khi min(vì thời gian giảm dòng điện là T2, với điện áp rơi không thay đổi
là Uout). Một cách cụ thể, chúng ta có đẳng thức sau:
out min outmin min T U L 2 I
(1 )) (2.5)
Hai thông số cần được lựa chọn ở đây là điện cảm Lm i n và T. Nếu chọn tần số chuyển mạch nhỏ, tức là T lớn (T = 1/f, f là tần số chuyển mạch), thì Lmin cũng cần phải lớn.
Thành phần xoay chiều của dòng điện qua điện cảm sẽ đi qua tụ điện đầu ra. Với dòng điện qua điện cảm có dạng tam giác, điện áp trên tụ điện đầu ra sẽ là các đoạn đa thức bậc hai nối với nhau (xét trong một chu kỳ chuyển mạch). Lượng điện tích được nạp vào tụ điện khi dòng điện qua điện cảm lớn hơn dòng điện trung bình sẽ là I T
2
. Nếu biểu diễn theo điện dung và điện áp trên tụ điện
thì lượng điện tích này bằng C U. Trong đó, ΔI là biên độ của thành phần xoay chiều của dòng điện qua điện cảm, còn ΔU là độ thay đổi điện áp trên tụ khi nạp (cũng như khi xả, xét ở trạng thái xác lập). Như vậy, chúng ta có thể xác định giá trị của tụ điện dựa vào đẳng thức sau:
T
I C U
2
(2.6)
ΔI đã được xác định ở trên, bằng 2 lần dòng điện tải tối thiểu, và T đã được chọn ở bước trước đó. Tùy theo giá trị độ dao động điện áp đầu ra cho phép ΔU mà chúng ta chọn giá trị C cho thích hợp.
2.2.2. Bộ biến đổi tăng áp (boost)
Bộ boost converter có tác dụng điều chỉnh điện áp đầu ra lớn hơn điện áp đầu vào. Vì vậy boost converter còn gọi là bộ tăng áp. Điện áp DC đầu vào mắc nối tiếp với một cuộn cảm khá lớn có vai trò như một nguồn dòng. Một khóa chuyển mạch mắc song song với nguồn dòng này và được đóng mở theo chu kỳ, năng lượng cung cấp từ cuộn cảm và nguồn làm cho điện áp đầu ra tăng lên.Boost converter thường được sử dụng để điều chỉnh điện áp nguồn cung cấp và hãm tái sinh động cơ DC.
Hình 2.4: Mạch boost cơ bản
Hình: a
Hình: b
Hình 2.5: Mạch boost với khóa ở trạng thái đóng (a) và mở (b)
Bộ biến đổi boost hoạt động theo nguyên tắc sau: khi khóa S đóng, điện áp đầu vào đặt lên điện cảm, làm dòng điện trong điện cảm tăng dần theo thời gian. Khi khóa S ngắt, điện cảm có khuynh hướng duy trì dòng điện qua nó sẽ tạo điện áp cảm ứng đủ để diode phân cực thuận. Ở điều kiện làm việc bình thường, điện áp đầu ra có giá trị lớn hơn điện áp đầu vào, do đó điện áp đặt vào điện cảm lúc này ngược dấu với với khi khóa S đóng, và có độ lớn bằng chênh lệch giữa điện áp đầu ra và điện áp đầu vào, cộng với điện áp rơi trên diode. Dòng điện qua điện cảm lúc này giảm dần theo thời gian. Tụ điện đầu ra có giá trị đủ lớn để dao động điện áp tại đầu ra nằm trong giới hạn cho phép.
Tương tự như trường hợp của bộ biến đổi buck, dòng điện qua điện cảm sẽ thay đổi tuần hoàn và điện áp rơi trung bình trên điện cảm trong một chu kỳ sẽ bằng 0 nếu dòng điện qua điện cảm là liên tục (nghĩa là dòng điện tải có giá trị đủ lớn).
Gọi T là chu kỳ chuyển mạch (switching cycle), T1 là thời gian đóng khóa S, và T2 là thời gian ngắt khóa S. Như vậy, T = T1 + T2. Giả sử điện áp rơi trên diode, và dao động điện áp đầu ra là khá nhỏ so với giá trị của điện áp đầu vào và đầu ra. Khi đó, điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi đóng khóa S là (T1/T)×Uin, còn điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi ngắt khóa S là (T2/T)×(Uin - Uout).
Điều kiện điện áp rơi trung bình trên điện cảm bằng 0 có thể được biểu diễn là: 1 in in o 2 ut U T T U U 0 T T (2.7) hay 1 in out in u 2 2 o 2 t T T T T U U 0 U U T T T T (2.8)
Với cách định nghĩa chu kỳ nhiệm vụ T1
T , T2 1 T , ta có: in in out out in out U U ; 0 1 1 U 1 U 0 U U (2.9)
Tương tự như với bộ biến đổi buck, một trong những bài toán thường gặp là như sau: cho biết phạm vi thay đổi của điện áp đầu vào Uin, giá trị điện áp đầu ra Uout, độ dao động điện áp đầu ra cho phép, dòng điện tải tối thiểu Iout,min, xác định giá trị của điện cảm, tụ điện, tần số chuyển mạch và phạm vi thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ, để đảm bảo ổn định được điện áp đầu ra.
Phạm vi thay đổi của điện áp đầu vào và giá trị điện áp đầu ra xác định phạm vi thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ :
inmax inmim out o min max ut 1 , và 1 U U U U (2.10)
Lý luận tương tự như với bộ biến đổi buck, độ thay đổi dòng điện cho phép sẽ bằng 2 lần dòng điện tải tối thiểu. Trường hợp xấu nhất ứng với độ lớn của điện áp trung bình đặt vào điện cảm khi khóa S ngắt đạt giá trị lớn nhất, tức là hàm số: in
in out out
U (U
U U ) đạt giá trị nhỏ nhất khi thay đổi từ
min max
(chú ý là hàm số này có giá trị âm trong khoảng thay đổi của ). Gọi giá trị
của và Uin tương ứng với giá trị nhỏ nhất đó là thvà Uinth (giá trị tới hạn),
đẳng thức sau (chỉ xét về độ lớn) được dùng để chọn giá trị chu kỳ (hay tần số) chuyển mạch và điện cảm:
1 th T Uout Uinth Lmin2Iou m nt i (2.11)
Việc lựa chọn giá trị cho tụ điện đầu ra hoàn toàn giống như đối với trường hợp bộ biến đổi buck.
2.3. Mô hình thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ
Để ghép nguồn phát sức Mặt trời vào hệ thống điện độc lập cần thiết phải có giải pháp kỹ thuật phù hợp nhằm giảm thiểu hiện tượng biến động công suất sao cho chất lượng điện năng của cả hệ thống phải được đảm bảo phù hợp với một số tiêu chuẩn IEEE 2030, IEEE 1547 hoặc IEC. Siêu tụ phù hợp với ứng dụng đòi đáp ứng quá trình nạp xả nhanh, những công nghệ tích trữ năng lượng như thủy điện (PHS), khí nén (CAES) hay thậm chí acqui lại không có khả
năng phản ứng nhanh như siêu tụ để đem lại khả năng ổn định ngắn hạn công suất đầu ra hệ thống pin NLMT, hỗ trợ ổn định tần số lưới.
2.3.1. Cấu trúc thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ
Thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ được tích hợp vào nguồn điện độc lập theo phương án bù phân tán cho mỗi hệ thống pin NLMT, được minh họa như Hình 2.7.
Hình 2.7: Thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ được tích hợp vào nguồn điện độc lập theo phương án bù phân tán
Thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ có tác dụng như một bộ lọc công suất ngay phía đầu ra của hệ thống pin NLMT để đảm bảo khả năng ổn định ngắn hạn sự biến động thất thường của năng lượng Mặt trời. Để thực hiện chức năng đó, thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ phải có khả năng trao đổi công suất hai chiều với lưới thông qua hệ thống biến đổi điện năng gồm hai bộ biến đổi công suất là DC - DC và DC - AC cũng phải có khả năng trao đổi công suất theo hai chiều.
Bài toán thiết kế thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ với các nội dung tính toán bao gồm: Dung lượng siêu tụ, các phần tử thụ động của mạch điện.
2.3.2. Thiết kế kho điện
Tùy theo công nghệ tích trữ năng lượng (điện năng, hóa năng, cơ năng) mà quy trình tính toán dung lượng kho điện sẽ khác nhau. Để xác định dung lượng thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ đòi hỏi phải biết được công suất đầu ra