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 khơng thể thiếu
CHƯƠNG III MƠ 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 mô. 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 mô 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 hoàn toàn 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 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 khơng 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 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
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, công suất tiêu thụ của tải hoàn toàn 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(ơ 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 ln 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 cơng 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 Mơ 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
Tín hiệu cắt tải đột ngột cho tải của nhà số được đặt vào lúc 8h00, và thời gian cắt kéo dài trong 10s.
Hình 4.6 Sự dao động trong khoảng thời gian cắt tải
Theo như quan sát, ta thấy khi sự thay đổi đột ngột của tải tác động trực tiếp đến công suất battery và công suất lưới điện chính. Khoảng thời gian 8h, nằm trong khoảng thời gian từ 4h00-10h00, khi đó PV bắt đầu tạo năng lượng nhưng không đáp ứng đủ công suất tải tiêu thụ nên sẽ cung cấp năng lượng song song cùng với battery. Khi có sự thay đổi đột ngột của tải, một sự dao động xuất hiện ở lưới điện chính và một sự dao động đột ngột trong công suất cung cung cấp năng lượng của battery cho tải. Hai điều này chính là nhược điểm của microgrid, vì nó ảnh hưởng đến chất lượng điện năng của lưới điện chính và tuổi thọ của battery.
* Dao động lúc 11h : Dao động do sự hạ áp đột ngột của lưới microgrid, ta thấy sự đợt biến điện áp ở phía thứ cấp máy biến áp, và battery.
Hình 4.7 Dao động của các dạng sóng lúc 11h00
Đây là một ví dụ điển hình mơ phỏng cho hiện tượng “ hệ thống PV bị che khuất bởi mây ”. Khi đó năng lượng PV sẽ giảm đi một cách đột ngột
Hình 4.8 Đặt tín hiệu giảm cơng suất PV trên Matlab
Giá trị công suất do PV tạo ra tại thời điểm 11h00 khoảng 4100 kW. Việc đặt tín hiệu mơ phỏng giảm cơng suất đột ngột sẽ diễn ra trong vòng 20s và cơng suất cịn lại bằng 30% thời điểm bình thường. Điều đó có nghĩa, năng lượng thực tế lúc đó sẽ bằng 4100 kW x 30% = 1230 kW.
Theo như quan sát, tại thời điểm đó cơng suất tải tiêu thụ cần đáp ứng là gần 2000 kW. Trước đó, năng lượng do PV tạo ra đã đáp ứng đủ và ổn định cho tải tiêu thụ nhưng vì sự thay đổi đột ngột năng lượng tạo ra nên tác động đến cơng suất battery và điện lưới chính. Ta thấy sự đột ngột đó, đã tạo ra một dao động rất lớn ở lưới điện chính và cơng suất đáp ứng của battery.
Sự thay đột ngột đó sẽ ảnh hưởng lớn đến chất lượng điện năng của lưới điện chính và tuổi thọ của battery.
3.1.4 Phân bố trào lưu công suất lưới điện MicroGrid.
Công cụ Load Flow của khối powergui sử dụng phương pháp Newton-Raphson và đi kèm với giao diện người dùng cho phép hiển thị giải pháp dòng tải tại tất cả các bus.
Hình 4.9 Sơ đồ đơn tuyến mơ hình microgird_power_battery.
Bus Bus25 Bus6.6
Hình 4.10 Các thơng số này sẽ được nhập vào các Block và các Bus
Sử dụng công cụ LoadFload để phân tích lưu lượng tải: (Giải pháp dịng tài sẽ được thể hiện ở 5 cột cuối cùng).
Hình 4.11 Phân tích lưu lượng tải trên các bus
Báo cáo bắt đầu bằng việc hiển thị tóm tắt về cơng suất hoạt động và công suất phản kháng, hiển thị tổng chia sẻ PQ giữa các máy phát (khối loại SM và Vsrc), tải PQ (tải RLC loại PQ và tải DYN), tải Z không đổi (tải RLC loại Z và từ hóa các nhánh của máy biến áp) và tải máy không đồng bộ (ASM). Total losses là thể hiện sự khác biệt giữa các thế hệ và tải (PQ loại + Z loại + ASM). Do đó, nó đại diện cho tổn thất hàng loạt.
Total generation = Total PQ load + Total Z shunt + Total ASM + Total losses
Total generation Total PQ load Total Z shunt Total ASM Total losses
1 : Bus-1 V= 1.000 pu/25kV 0.00 deg ; Swing bus Generation
PQ Load Z shunt Bus-2
2 : Bus-2 V= 0.112 pu/6.6kV -0.62 deg Generation PQ Load Z shunt *1* Bus-1 3 : *1* V= 0.000 pu/6.6kV -0.98 deg Generation PQ Load Z shunt Bus-2
Bảng 4.3 Kết quả tính tốn phân bố trào lưu công suất lưới điện MicroGrid ở chế độ vận hành nối lưới
1 : *1* V= 1.000 pu/22kV 0.00 deg ; Swing bus Generation PQ Load Z shunt *2* 2 : *2* V= 1.000 pu/0.4kV -0.00 deg Generation PQ Load Z shunt *1* *3* 3 : *3* V= 1.006 pu/0.4kV -0.00 deg Generation PQ Load Z shunt *2*
Bảng 4.4 Kết quả tính tốn phân bố trào lưu cơng suất lưới điện MicroGrid ở chế độ vận hành nối lưới
3.2 Mơ hình POWER WIND_DFIG MICRO GRID
Mơ hình điều khiển máy phát điện gió sử dung máy phát DFIG (Doubly-Fed Induction Generator. Tạm dịch là máy phát gấp đôi cảm ứng)
Đứng trước thách thức thiếu hụt điện, cùng với việc các nguồn năng lượng truyền thống ngày càng cạn kiệt (giá nguyên liệu ngày càng tăng cao) và vấn đề về ơ nhiễm mơi trường, Việt Nam cần có chiến lược đảm bảo an ninh năng lượng bằng cách một mặt mở rộng khai thác những nguồn năng lượng truyền thống, mặt khác, ngày càng khuyến khích đầu tư mở rộng quy mơ sản xuất các nguồn năng lượng sạch và có khả năng tái tạo. Để phát triển nguồn năng lượng sạch, trong thời đại ngày nay có các loại năng lượng như: gió, mặt trời, thủy triều... trong đó năng lượng gió được xem là năng lượng lý tưởng mà các quốc gia đã và đang phát triển phù hợp với xu hướng thời đại của nhân loại. Nội dung chính của mơ hình này là nghiên cứu về việc điều khiển hệ thống máy phát điện gió dùng DFIG. Bằng cách thiết lập mơ hình nội điều khiển, do stator của máy phát điện được kết nối trực tiếp vào lưới điện và điện áp được cố định theo điện áp
lưới trong khi rotor được kết nối thông qua một công cụ chuyển đổi AC/DC/AC. Mơ hình mơ phỏng được xây dựng dựa trênphần mềm của Matlab. [5.2]
3.2.1 Tổng quan mơ hình
3.2.1.1 Máy phát Dfig
Hình 4.12 Mơ tả stator và roto của máy phát DFIG nối lên lưới.
Trong mơ hình sản xuất năng lượng tái tạo từ gió, hiện nay để tối ưu tốc độ giữa staro và roto, máy phát Dfig được sử dụng là chủ yếu.
DFIG: là máy phát có phần roto đc gắn chung với bộ back to back để thay đổi điện áp và tần số, góc pha đồng bộ với tốc độ stator, do stator của máy phát điện được kết nối trực tiếp vào lưới điện và điện áp được cố định theo điện áp lưới trong khi rotor được kết nối thông qua một cơng cụ chuyển đổi AC/DC/AC.
Ngun do là bởi vì tốc độ gió ln thay đổi khơng cố định dẫn đến tốc độ roto thay đổi theo, do vậy cần qua một bộ conveter. Yêu cầu cơ bản để phát điện sử dụng năng lượng gió là tạo ra tín hiệu ac có tần số khơng đổi bất kể tốc độ gió. Nói cách khác, tần số của tín hiệu AC được tạo ra trên stato phải không đổi bất kể các biến thể tốc độ của roto. Để đạt được điều này, tần số của tín hiệu AC áp dụng cho cuộn dây rơto cần được điều chỉnh bằng cách gắn thêm một bộ Back to Back.
Một ưu điểm khác của công nghệ DFIG là khả năng cho các bộ biến đổi điện tử công suất tạo ra hoặc hấp thụ công suất phản kháng, do đó loại bỏ sự cần thiết phải lắp đặt các tụ điện như trong trường hợp máy phát điện cảm ứng lồng sóc.
3.2.1.2 Giới thiệu tổng quan về mơ hình
Hình 4.13 Sơ đồ mơ hình Microgrid WINH_DFIG
Một trang trại gió 9 MW bao gồm sáu tuabin gió 1,5 MW được kết nối với hệ thống phân phối 25 kV xuất điện cho lưới điện 120 kV thông qua bộ cấp điện 30 km, 25 kV.
Một plant 2300V, 2 MVA bao gồm một tải động cơ (động cơ cảm ứng 1,68 MW tại 0,93 PF) và của tải điện trở 200 kW được kết nối trên cùng một bộ cấp nguồn tại