Ứng dụng các bộ biến đổi điện tử công suất trong điều khiển nối lưới các nguồn phân tán

Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ Phần A: Khoa học Tự nhiên, Công nghệ và Môi trường: 28 (2013): 1-8 1 ỨNG DỤNG CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT TRONG ĐIỀU KHIỂN NỐI LƯỚI CÁC NGUỒN PHÂN TÁN Lê Kim Anh1 1 Trường Cao đẳng Công Nghiệp Tuy Hòa, tỉnh Phú Yên Thông tin chung: Ngày nhận: 08/05/2013 Ngày chấp nhận: 29/10/2013 Title: Application of power electronic converters in grid connection control of distributed generations Từ khóa: Bộ chỉnh lưu; nghịch lưu; năng lượng tái tạo; năng lượng mới; nối lưới các nguồn phân tán Keywords: Rectifier; inverter; renewable energy; new energy; grid- connected distributed energy resources ABSTRACT The research on using and exploiting effectively small and scattered capacity renewable energy sources, named Distributed Energy Resources (DER), to generate electricity is meaningful to reduce the climate change and dependence of power demand on fossil energy sources, which are at risk of being exhausted and cause environmental pollution. Using power electronic converters for grid connection control of distributed generators has some advantages such as capability of power transferring in both directions. The grid integration of DERcan help them to achieve equivalent scale and stable power supply as that of traditional power plants. The combination of harmonic filter circuits to suppress high order harmonics on the grid will also have a significal effect on improvingpower quality. The article presentedthe simulation result of the grid-connected control model of DER using power electronic converters, which maintains maximum capacity of the systemirrespective of connected powerloads. TÓM TẮT Nghiên cứu sử dụng và khai thác hiệu quả các nguồn năng lượng tái tạo có công suất nhỏ và phân tán (Distributed Energy Resources - DER) để phát điện có ý nghĩa thiết thực đến việc giảm biến đổi khí hậu và giảm sự phụ thuộc vào các nguồn nhiên liệu hóa thạch có nguy cơ cạn kiệt, gây ô nhiễm môi trường. Ứng dụng các bộ biến đổi điện tử công suất trong điều khiển nối lưới các nguồn phân tán có những ưu điểm như: Khả năng truyền năng lượng theo cả 2 hướng. Các DER nối lưới cho phép chúng đạt được quy mô tương đương và mức độ cung cấp điện ổn định như các nhà máy điện truyền thống. Kết hợp với mạch lọc để loại trừ các sóng hài bậc cao, điều này có ý nghĩa lớn đến việc cải thiện chất lượng điện năng. Bài báo đã đưa ra được kết quả mô phỏng điều khiển nối lưới các nguồn phân tán sử dụng các bộ biến đổi điện tử công suất, nhằm duy trì công suất phát tối đa của hệ thống bất chấp tải nối với hệ thống. 1 ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của thế giới, nhu cầu sử dụng năng lượng của con người ngày càng tăng. Nguồn năng lượng tái tạo (Renewable Energy sources - RES) nói chung, nguồn năng lượng phân tán (Distributed Energy Resources - DER) nói riêng như: nguồn năng lượng gió, pin mặt trời, pin nhiên liệu... là các dạng nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường. Tuy nhiên, để khai thác và sử dụng các nguồn phân tán này sao cho hiệu quả vẫn là mục tiêu nghiên cứu của các cơ quan quản lý. Hiện nay Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ Phần A: Khoa học Tự nhiên, Công nghệ và Môi trường: 28 (2013): 1-8 2 có nhiều công trình nghiên cứu điều khiển nối lưới nhưng ở góc độ nghiên cứu là các nguồn độc lập như tuabin gió hoặc nguồn pin mặt trời. Bài viết dưới đây đề xuất điều khiển nối lưới 3 nguồn phân tán (Distributed Generation - DG) là tuabin gió sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (Permanent magnetic synchronous generator - PMSG), nguồn pin mặt trời (Photovoltaic cell) và pin nhiên liệu màng trao đổi proton (Proton Exchange Membrane Fuel Cell - PEMFC). Ứng dụng các bộ biến đổi điện tử công suất như: Bộ biến đổi 2 trạng thái DC/DC dùng để điều chỉnh và cung cấp cho các tải thay đổi là nguồn pin mặt trời và pin nhiên liệu. Bộ chỉnh lưu (AC/DC) phía máy phát điện dùng điều chỉnh hòa đồng bộ cho máy phát điện cũng như tách máy phát điện ra khỏi lưới khi cần thiết. Bộ nghịch lưu (DC/AC) phía lưới nhằm đồng bộ với lưới và giữ ổn định điện áp mạch một chiều trung gian. Trong hệ thống điều khiển năng lượng tái tạo các bộ biến đổi điện tử công suất giữ vai trò rất quan trọng, việc ứng dụng các bộ biến đổi điện tử công suất này trong điều khiển nối lưới các nguồn phân tán, nhằm hướng đến phát triển lưới điện thông minh và điều khiển linh hoạt các dạng nguồn năng lượng. 2 CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Hệ thống điều khiển nối lưới các nguồn phân tán (DG) như: tuabin gió sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (Permanent magnetic synchronous generator - PMSG), nguồn pin mặt trời (Photovoltaic cell) và pin nhiên liệu màng trao đổi proton (Proton Exchange Membrane Fuel Cell – PEMFC) theo Tao Zhou, Bruno François (2010), hệ thống bao gồm các thành phần cơ bản như Hình 1. Các bộ biến đổi điện tử công suất thực hiện nhiệm vụ như: Tuabin gió sử dụng máy phát điện (PMSG) phát ra điện áp (AC), qua bộ chỉnh lưu (AC/DC) đưa ra điện áp một chiều (DC). Nguồn pin mặt trời và pin nhiên liệu điều cho ra điện áp một chiều (DC). Tất cả các điện áp một chiều (DC) này qua bộ nghịch lưu (DC/AC) đưa ra điện áp (AC) nối lưới. Hình 1: Sơ đồ điều khiển nối lưới các nguồn phân tán sử dụng các bộ biến đổi điện tử công suất 2.1 Bộ biến đổi 2 trạng thái DC/DC Mục đích của bộ biến đổi 2 trạng thái DC/DC là tạo ra điện áp một chiều (DC) được điều chỉnh để cung cấp cho các tải thay đổi, bộ biến đổi 2 trạng thái DC/DC giữ vai trò rất quan trọng trong các hệ thống điều khiển năng lượng tái tạo (Renewable Energy sources - RES). Để ổn định điện áp đầu ra cho bộ biến đổi thì đòi hỏi các bộ điều khiển phải hoạt động một cách tin cậy, do điện áp ở đầu ra của pin mặt trời và pin nhiên liệu không đủ lớn để có thể cung cấp cho đầu vào của bộ nghịch lưu (DC/AC). Do đó ta phải sử dụng bộ biến đổi 2 trạng thái DC/DC để nâng điện áp đầu ra đạt yêu cầu. Theo Bengt Johansson (2003), bộ biến đổi 2 trạng thái DC/DC (Buck – Boots Converter) như Hình 2, với giản đồ xung đóng ngắt như Hình 3. Hệ thống điều khiển Máy biến áp Lưới điện PV Pin nhiên liệu Quá trình điện phân Nghịch lưu DC/AC H2 Chỉnh lưu AC/DC Bus DC Tuabin gió Máy phát điện Biến đổi DC/DC Đường dây Biến đổi DC/DC Biến đổi DC/DC Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ Phần A: Khoa học Tự nhiên, Công nghệ và Môi trường: 28 (2013): 1-8 3 Hình 2: Sơ đồ bộ biến đổi DC/DC Hình 3: Xung đóng ngắt của bộ biến đổi DC/DC 2.1.1 Khi Switch ở trạng thái ngắt Ta xét trong khoảng thời gian t = 0 đến t = DT, điện áp trên cuộn dây L là Ui. Khi đó công suất trên cuộn dây L được tính như sau: dtIU T dtIU T P DT Li DT Liin   00 11 (1) Với điều kiện dòng qua cuộn dây L là hằng số, công suất qua cuộn dây L được viết lại như sau: DIUdtIU T P Li DT Liin   0 1 (2) 2.1.2 Khi Switch ở trạng thái ngắt Ta thấy năng lượng trên cuộn dây L bắt đầu xả ra, Diode bắt đầu dẫn điện áp trên cuộn dây L cung cấp cho tải U0. Khi đó ta có công suất trên tải: dtIU T dtIU T P DT L DT LLout   0 0 0 11 (3) Với điều kiện lý tưởng thì U0 và IL là hằng số lúc đó công suất đầu ra được viết lại như sau: )1()(1 00 DIUDTTIUTP LLout  (4) Từ phương trình (2) và (4) ta viết lại như sau:     D D U U i 1 0 (5) Điện áp sau khi qua bộ biến đổi công suất sẽ tăng lên, nhờ bộ điều khiển xung kích ta có thể điều chỉnh điện áp ra mong muốn bằng việc điều chỉnh D. 2.2 Bộ chỉnh lưu và bộ nghịch lưu Việc nghiên cứu các bộ chỉnh lưu (AC/DC) và bộ nghịch lưu (DC/AC) điều chế theo phương pháp độ rộng xung ( Pulse Width Modulation - PWM) hoặc điều chế theo vectơ không gian (Space Vector Modulation) được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu trong những năm gần đây với những ưu điểm vượt trội như: khả năng truyền năng lượng theo cả 2 hướng, với góc điều khiển thay đổi được, dung lượng sóng hài thấp... 2.2.1 Mô hình toán học cho bộ chỉnh lưu Sơ đồ bộ chỉnh lưu điều chế theo phương pháp độ rộng xung (PWM), như Hình 4. Theo Haoran Bai et al. (2007), để đạt được mục tiêu là điều khiển các thành phần công suất phát vào lưới từ các nguồn phân tán, thì hiện nay có nhiều phương pháp để điều khiển cho bộ chỉnh lưu PWM như phương pháp: VOC, DPC, VFVOC, VFDPC. Dựa vào sơ đồ Hình 4, ta xây dựng biểu thức điện áp của bộ chỉnh lưu PWM như sau: Hình 4: Sơ đồ dòng điện và điện áp của bộ chỉnh lưu Ld dc Ndcccc c Ndcbbb b Ndcaaa a ii dt duC uuSeRi dt diL uuSeRi dt diL uuSeRi dt diL     )( )( )( 0 0 0 (6) Biểu thức (6) chuyển sang hệ tọa độ dq được viết lại như sau: Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ Phần A: Khoa học Tự nhiên, Công nghệ và Môi trường: 28 (2013): 1-8 4 Lq q d ddc ddcqqq q qdcddd d ii S iS dt duC LiuSRie dt di L LiuSRie dt diL    2 3 2 3   (7) 2.2.2 Mô hình toán học cho bộ nghịch lưu Theo Ngô Đức Minh, 2007, bộ nghịch lưu dùng để biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều ba pha có thể thay đổi được tần số nhờ việc thay đổi qui luật đóng cắt của các van, như Hình 5. Hình 5: Sơ đồ điều khiển bộ nghịch lưu Ta giả thiết tải 3 pha đối xứng nên điện áp: 0321  ttt uuu (8) Gọi N là điểm nút của tải 3 pha dạng hình (Y). Dựa vào sơ đồ Hình 5, điện áp pha của các tải được tính như sau: NOt Nt Nt uuu uuu uuu    303 0202 0101 (9) Với 3 302010 0 uuuu N  (10) Thay biểu thức (10) vào biểu thức (9) ta có phương trình điện áp ở mỗi pha của tải như sau: 3 2 3 2 3 2 201030 3 103020 2 302010 1 uuuu uuuu uuuu t t t    (11) Điện áp dây trên tải được tính như sau: Ot t t uuu uuu uuu 13031 302023 201012    (12) Biên độ sóng hài có thể xác định dựa theo khai triển chuỗi Fourier của điện áp ngõ ra như sau: ).cos().sin( 11 xkbxkaUu k k k ktAVt       (13)   2 0 ).sin(1 dxxkua tk Với:   2 0 ).cos(1 dxxkub tk   2 0 .2 1 dxuU ttAV Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ Phần A: Khoa học Tự nhiên, Công nghệ và Môi trường: 28 (2013): 1-8 5 Biên độ sóng hài bậc k: Ak  2122 kkk baA  (14) Thông thường dạng áp của tải có tính chất của hàm lẽ, do đó: bk=0, Ak = ak. Biên độ sóng hài cơ bản Ut(1)m:   2 0 1)1( .sin1 dxxuAU tmt (15) Và biên độ sóng hài bậc k:   2 0 )( )..sin(1 dxxkuAU tkmkt (16) 2.2.3 Cấu trúc điều khiển cho bộ chỉnh lưu và nghịch lưu Theo Degang Yang et al. (1999), giá trị đầu ra của điện áp qua bộ chỉnh lưu và bộ nghịch lưu, chuyển sang hệ tọa độ dq được xác định như sau:   )17(** qddddidpd LieiiSKKV     dqqqqiqpq LieiiSKKV      ** (18) Hình 6: Sơ đồ điều khiển cho 2 mạch vòng dòng điện Hình 7: Điều khiển mạch vòng trong của dòng điện PI (Điện áp) PI (Dòng điện) Nghịch lưu (SVPWM) PI (Dòng điện) Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ Phần A: Khoa học Tự nhiên, Công nghệ và Môi trường: 28 (2013): 1-8 6 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB – SIMULINK 3.1 Xây dựng mô hình trên matlab - simulink Theo Ngô Đức Minh (2007), việc xây dựng mô hình trên Matlab – Simulink, ứng dụng các bộ biến đổi điện tử công suất trong điều khiển nối lưới cho 3 nguồn phân tán (DG) như: tuabin gió sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG), nguồn pin mặt trời (PV) và pin nhiên liệu màng trao đổi proton (Proton Exchange Membrane Fuel Cell - PEMFC) như Hình 8. Hình 8: Sơ đồ điều khiển nối lưới các nguồn phân tán (DG) ứng dụng các bộ biến đổi điện tử công suất Bảng 1: Các thông số cơ bản của pin nhiên liệu Hằng số Faraday (F) 9.6484.600 (C/kmol) Hằng số thời gian của hydro ( ߬ுమ) 3,37 (s) Hằng số phân tử van hydro (ܭுమ) 4,22x10-5[kmol/(atm.s)] Hằng số mô hình (Kr) 1,8499x10-6[kmol/(s.A)] Số lượng pin nhiên liệu trong ngăn xếp (N0) 72 Nội trở của pin nhiên liệu (Rint) 0,00303 (Ω) Nhiệt độ tuyệt đối (T) 343 (K) Hằng số khí lý tưởng ® 8314,47 [1 atm/(kmol.K)] Hệ số sử dụng (U) 0,8 Quá điện áp kích hoạt PEMFC (B) 0,04777 (A-1) Quá điện áp kích hoạt PEMFC (C) 0,0136 (V) Điện áp chuẩn khi không tải (E0) 0,6 (V) Bảng 2: Các thông số cơ bản của PMSG Công suất máy phát 12 kW Số cực (p) 2 Tốc độ rotor (૑) 175 rad/s Điện trở stator (Rs) 0,425 Ω Điện cảm stator (Ls) 8,4 mH Mô men 40 Nm Từ thông 0,433 Wb Bảng 3: Các thông số cơ bản của pin mặt trời Công suất 1 tấm pin mặt trời (Pmax) 260 W Điện áp (Umax) 35 V Dòng điện (Imax) 10 A Dòng dòng ngắn mạch ở nhiệt độ 25oC (Lsc) 10,75 A Điện áp hở mạch (Uoc) 40 V Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ Phần A: Khoa học Tự nhiên, Công nghệ và Môi trường: 28 (2013): 1-8 7 3.2 Kết quả mô phỏng Hình 9: Điện áp ra DC bộ biến đổi DC/DC (V) Hình 10: Điện áp ra DC bộ chỉnh lưu (V) Hình 11: Điện áp AC bộ chỉnh lưu (V) Hình 12: Điện áp ra bộ nghịch lưu (V) Hình 13: Công suất tuabin gió (W) Hình 14: Tốc độ tuabin gió (rad/s) Hình 15:Công suất của pin mặt trời(W) Hình 16: Dòng điện và điện áp của pin mặt trời Hình 17: Dòng điện và điện áp của pin nhiên liệu Hình 18: Công suất của pin nhiên liệu (W) Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ Phần A: Khoa học Tự nhiên, Công nghệ và Môi trường: 28 (2013): 1-8 8 Hình 19: Điện áp ngõ ra Uabc (V) Hình 20: Dòng điện ngõ ra Iabc (A) Hình 21: Điện áp nối lưới Uabc (V) Hình 22: Dòng điện nối lưới Iabc (A) 4 KẾT LUẬN Ứng dụng các bộ biến đổi điện tử công suất trong điều khiển nối lưới các nguồn phân tán mang lại hiệu quả cao về tính kinh tế so với điều khiển các nguồn điện độc lập, đồng thời phân bố được công suất phát ra trên hệ thống. Các nguồn phân tán nối lưới cho phép chúng đạt được quy mô tương đương và mức độ cung cấp điện ổn định như các nhà máy điện truyền thống. Tại thời điểm t = 0.08 s đóng tải thực hiện nối lưới, dòng điện và điện áp cũng như công suất đầu ra luôn đạt giá trị bằng giá trị đặt và hệ thống làm việc ở trạng thái ổn định. Hệ thống nối lưới thông qua máy biến áp 400V/22kV và đường dây tải điện. Hệ thống điều khiển nối lưới các nguồn phân tán sử dụng các bộ biến đổi điện tử công suất, nhằm hướng đến việc phát triển lưới điện thông minh và điều khiển nối lưới linh hoạt cho các nguồn năng lượng tái tạo. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Bengt Johansson, 2003, Improved Models for DC-DC Converters, Department of Industrial Electrical Engineering and Automation Lund University. 2. Degang Yang, Liangbing Zhao, Runsheng Liu, 1999, Modeling and closed – loop cotroller design of three – phase high power factor Rectifier, power Electronics, 49 – 52. 3. Haoran Bai, Fengxiang Wang, Junqiang Xing, 2007, Control Strategy of Combined PWM Rectifier/ Inverter for a High Speed Generator Power System, IEEE. 4. Ngô Đức Minh, 2007, Ứng dụng bộ biến đổi PWM trong điều khiển công suất giữa các nguồn cục bộ, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại học Thái Nguyên, số 4(44). 5. Nguyễn Văn Nhờ, Điện tử công suất, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh. 6. Tao Zhou, Bruno François, 2010, Energy Management and Power Control of a Hybrid Active Wind Generator for Distributed Power Generation and Grid Integration,IEEE.