(LUẬN văn THẠC sĩ) nghiên cứu phương pháp điều khiển thiết bị tích trữ năng lượng trong hệ thống chiếu sáng công cộng sử dụng năng lượng mặt trời kết hợp với điện lưới​

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP HOÀNG VĂN LONG NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG CÔNG CỘNG SỬ DỤNG NĂNG

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

HOÀNG VĂN LONG

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN

THIẾT BỊ TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG TRONG

HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG CÔNG CỘNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KẾT HỢP VỚI ĐIỆN LƯỚI

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

THÁI NGUYÊN - 2016

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

HOÀNG VĂN LONG

Tên đề tài:

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN

THIẾT BỊ TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG TRONG

HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG CÔNG CỘNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KẾT HỢP VỚI ĐIỆN LƯỚI

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số: 60.52.02.02

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN NHƯ HIỂN

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên

Kỹ thuật điện 2013-2015

Tên đề tài:

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG CÔNG CỘNG

SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KẾT HỢP VỚI ĐIỆN LƯỚI

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN NHƯ HIỂN

KHOA CHUYÊN MÔN

Đỗ Trung Hải

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Nguyễn Như Hiển PHÒNG ĐÀO TẠO

Đặng Danh Hoằng

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là Hoàng Văn Long

Sinh ngày 23 tháng 9 năm 1976

Học viên lớp cao học K16 - Kỹ thuật điện - Trường đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên

Hiện tôi công tác tại Trung tâm khuyến công và tư vấn phát triển công nghiệp Sở Công Thương Cao Bằng, tỉnh Cao Bằng

Tôi xin cam đoan những nội dung được trình bày trong luận văn là những nghiên cứu của riêng cá nhân tôi Nội dung trong luận văn đúng như nội dung của

đề cương được duyệt và yêu cầu của Thầy giáo hướng dẫn Trong quá trình nghiên cứu và thực hiện tôi có tham khảo một số tài liệu, bài báo của các tác giả trong và ngoài nước Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm./

HỌC VIÊN

Hoàng Văn Long

các bạn học viên và đặc biệt là sự quan tâm, hướng dẫn tận tình của thầy giáo

PGS.TS Nguyễn Như Hiển luận văn của tôi cơ bản đã hoàn thành Tôi xin được bày tỏ lòng chân thành và biết ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên Trong suốt thời gian qua các thầy cô đã tận tình truyền đạt cho tôi những kiến thức vô cùng quý báu và động viên tôi trong học tập cũng như trong cuộc sống Đặc biệt, tôi xin chân thành cám ơn PGS.TS Nguyễn Như Hiển, thầy đã tận tình chỉ bảo, tạo mọi điều kiện cho tôi hoàn thành luận văn và sửa chữa những sai sót trong suốt quá trình tôi thực hiện đề tài Cuối cùng, tôi muốn bày tỏ lòng biết ơn chân thành, lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè những người luôn bên cạnh, động viên, giúp đỡ tôi trong học tập và trong cuộc sống Luận văn có được một số kết quả nhất định, tuy nhiên không thể tránh khỏi sai sót và hạn chế, kính mong được sự cảm thông và đóng góp ý kiến của thầy cô và các bạn./

Thái Nguyên, ngày 16 tháng 3 năm 2016

HỌC VIÊN

Hoàng Văn Long

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

TỪ NGỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vii

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 NGHIÊN CỨU KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MỚI VÀ NGUỒN ĐIỆN ĐỘC LẬP 8

1.1 Các nguồn và công nghệ năng lượng mới 8

1.2 Vai trò của nguồn năng lượng mới 9

1.3 Nguồn năng lượng mới ở Việt Nam 11

1.4 Khái niệm về hệ thống điện độc lập 12

1.4.1 Giới thiệu chung 12

1.4.2 Vấn đề đảm bảo chất lượng điện năng 13

1.5 Thiết bị tích trữ năng lượng 15

1.5.1 Bộ tích trữ năng lượng một chiều dùng ắc quy 15

1.5.2 Thiết bị tích trữ năng lượng siêu tụ 17

1.5.3 Các yêu cầu chính đối với thiết bị tích trữ năng lượng 20

1.6 Vấn đề điều khiển thiết bị kho điện 24

1.7 Các nhiệm vụ cần giải quyết của luận văn 26

1.8 Kết luận chương 1 26

Chương 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH THIẾT BỊ KHO ĐIỆN SỬ DỤNG SIÊU TỤ 27

2.1 Giới thiệu các bộ biến đổi DC - DC 27

2.2 Các bộ biến đổi DC - DC giảm tăng áp không cách ly 28

2.2.1 Bộ biến đổi giảm áp (buck) 28

2.2.2 Bộ biến đổi tăng áp (boost) 31

2.3 Mô hình thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ 34

2.3.1 Cấu trúc thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ 35

2.3.2 Thiết kế kho điện 35

2.3.3 Mô hình bộ biến đổi DC-DC dùng trong thiết bị kho điện 39

2.4 Kết luận chương 2 42

Chương 3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC 43 3.1 Giới thiệu chung 43

3.1.1 Bộ điều khiển PID 43

3.1.2 Phương pháp tối ưu độ lớn 45

3.2 Cấu trúc điều khiển hệ thống 47

3.3 Hàm truyền đạt DC - DC 48

3.3.1 Xây dựng hàm truyền đạt theo chiều boost 48

3.3.2 Xây dựng hàm truyền đạt theo chiều buck 49

3.4 Tổng hợp bộ điều khiển 50

3.4.1 Tổng hợp bộ điều khiển của bộ biến đổi buck 50

3.4.2 Tổng hợp bộ điều khiển của bộ biến đổi boost 51

3.4.3 Tổng hợp bộ điều khiển của bộ biến đổi buck - boost 51

3.5 Kết luận chương 3 51

Chương 4 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CHO BỘ BIẾN ĐỔI DC - DC, DC - AC 52

4.1 Giới thiệu chung 52

4.2 Bộ biến đổi DC - DC 52

4.2.1 Bộ DC - DC giảm áp: Được giới thiệu như trên hình 4.2 52

4.2.2 Mạch DC - DC tăng áp: Được giới thiệu như trên hình 4.7 54

4.3 Mạch DC - AC 57

4.3.1 Sơ đồ lắp rạp của bộ biến đổi DC - AC: Được minh họa trên hình 4.13 57

4.3.2 Kết quả thực nghiệm 58

4.4 Kết luận 59

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 60

1 Kết luận 60

2 Kiến nghị 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

TỪ NGỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Phân loại kho năng lượng theo thời gian 21 Bảng 1.2 Phân loại kho năng lượng theo hình thức tích lũy 21

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Minh họa hệ thống điện độc lập 13

Hình 1.2: Cấu tạo của ắc quy chì 16

Hình 1.3: Cấu trúc siêu tụ - hai lớp 19

Hình 1.4: Hình dáng bên ngoài của siêu tụ 20

Hình 1.5: Minh họa thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ 24

Hình 2.1: Bộ biến đổi tăng - giảm áp 27

Hình 2.2: Bộ biến đổi buck 28

Hình 2.3: Điện áp và dòng qua cuộn cảm 29

Hình 2.4: Mạch boost cơ bản 32

Hình 2.5: Mạch boost với khóa ở trạng thái đóng (a) và mở (b) 32

Hình 2.6: Điện áp và dòng điện của bộ biến đổi ở chế độ liên tục 32

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 35

Hình 2.8: Cấu trúc mạch lực bộ biến đổi DC - DC dùng trong siêu tụ 39

Hình 2.9: Phân tích các cấu hình mạch điện của DC - DC ở chế độ nạp 40

Hình 2.10: Phân tích các cấu hình mạch điện của DC - DC ở chế độ xả 41

Hình 3.1: Bộ điều khiển theo quy luật PID 43

Hình 3.2: Dải tần số mà ở đó có biên độ hàm đặt tính bằng 1, càng rộng càng tốt 46

Hình 3.3: Cấu trúc chung của bộ biến đổi DC-DC 47

Hình 3.4: Mô hình đơn giản của bộ biến đổi boost 48

Hình 3.5: Mô hình đơn giản của bộ biến đổi buck 49

Hình 4.1: Bộ biến đổi DC - DC và DC - AC cho siêu tụ 52

Hình 4.2: Mạch giảm áp sử dụng IC LM2569S 52

Hình 4.3: Sơ đồ nguyên lý mạch giảm áp sử dụng IC LM2569S 53

Hình 4.4: Điện áp đầu vào mạch giảm áp sử dụng IC LM2569S 53

Hình 4.5: Điện áp đầu ra nhỏ nhất của mạch giảm áp sử dụng IC LM2569S 54

Hình 4.6: Điện áp đầu ra nhỏ nhất của mạch giảm áp sử dụng IC LM2569S 54

Hình 4.7: Mạch tăng áp sử dụng IC XL6009 55

Hình 4.8: Sơ đồ khai triển của IC XL6009 55

Hình 4.9: Sơ đồ nguyên lý của mạch tăng áp sử dụng IC XL6009 55

Hình 4.10: Điện áp vào của mạch tăng áp sử dụng IC XL6009 56 Hình 4.11: Điện áp ra lớn nhất của mạch tăng áp sử dụng IC XL6009 56

Hình 4.12: Điện áp ra 20V của mạch tăng áp sử dụng IC XL6009 57

Hình 4.13: Sơ đồ lắp ráp bộ biến đổi DC - AC theo tài liệu 57

Hình 4.14: Điện áp ra hình sin 220V bộ biến đổi DC - AC 58

Hình 4.15: Điện áp ra hình sin 220V nhìn gần 58

MỞ ĐẦU

Năng lượng tạo ra nguồn điện năng hiện nay chủ yếu là nhiên liệu hoá thạch, dầu, khí và nước Các nguồn nguyên liệu này đang ngày càng cạn kiệt với tốc độ khai thác sử dụng hiện nay Không những vậy, còn gây ra các hệ quả

và thảm hoạ

- Nguồn nước sản xuất điện đang đứng trước các thách thức:

Do việc ngăn đập lớn tạo nguồn nước để sản xuất điện đã làm thay đổi môi trường rất lớn: làm mất một số diện tích rừng, làm khô hạn hạ nguồn do đó làm ảnh hưởng lớn đến sản xuất nông nghiệp, đến môi sinh nhiều vùng rộng lớn Do đó nó cũng không phải là nguồn năng lượng sạch và an toàn Nguồn điện năng này cũng cạnh tranh nguồn nước với sản xuất

- Nguồn năng lượng nguyên tử chưa thực sự an toàn: là một ứng dụng công nghệ cao để tạo ra điện năng, rất dồi dào nhưng đã xảy ra nhiều thảm hoạ

mà những công nghệ hiện đại nhất cũng không tránh khỏi rủi ro Ngày 05 tháng

6 năm 2011 Chính phủ Đức công bố đến năm 2020 nước này sẽ đóng cửa các nhà máy điện hạt nhân, và họ đang sử dụng ngày càng nhiều năng lượng tái tạo, đặc biệt là từ Mặt trời và ánh sáng mặt trời

- Các nguồn liệu sinh học cho sản xuất điện rất hạn chế và giá thành rất cao: nguồn liệu từ các sản phẩm nông nghiệp như mía-cồn, cây có dầu hiện nay đang được chú ý nghiên cứu để sử dụng làm nhiên liệu - chạy điện, nhưng giá thành khá cao và chúng cạnh tranh với nhu cầu lương thực, các nền sản xuất khác như chăn nuôi, chế biến thực phẩm

- Nguồn năng lượng tự nhiên tái tạo:

Về năng lượng mặt trời:

Năng lượng mặt trời là một trong các nguồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất mà thiên nhiên ban tặng cho hành tinh chúng ta Đồng thời nó cũng là nguồn gốc của các nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng gió, năng lượng sinh khối, năng lượng các dòng sông,… Năng lượng mặt trời có thể nói là vô tận

Việt Nam nằm trong vùng nhiệt đới, số giờ nắng trung bình khoảng 2.000

- 2.500 giờ/năm với tổng lượng bức xạ mặt trời trung bình khoảng 150 Kcal/cm2/năm, tiềm năng lý thuyết được đánh gía khoảng 43,9 tỷ tấn dầu tương đương (TOE)/năm

Hiện nay, việc sử dụng năng lượng mặt trời (NLMT), thay thế cho việc

sử dụng các nguồn năng lượng điện được sản xuất ra nhờ các nguồn nguyên liệu hóa thạch truyền thống như than đá, dầu mỏ, khí đốt,… đã trở nên rất phổ biến tại các quốc gia phát triển Việc ứng dụng các giải pháp để sử dụng năng lượng mặt trời tại Việt Nam còn rất mới mẻ Trong khi đó, Việt nam được đánh giá là một quốc gia có tiềm năng rất lớn về nguồn năng lượng tái tạo này Đây lại là nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm, không cạnh tranh nguồn liệu Tuy nhiên do công nghệ còn mới mẻ nên hiện tại giá thành kw/h còn cao so với thuỷ điện, nhiệt điện Nhưng theo các nhà khoa học, đây là nguồn năng lượng chiếu sáng quan trọng cho tương lai gần Do đó, việc xây dựng “ hệ thống chiếu sáng công cộng sử dụng năng lượng mặt trời kết hợp với điện lưới” là một việc cấp thiết

Với mục tiêu khai thác nguồn năng lượng tái tạo để từng bước thay thế các nguồn năng lượng truyền thống đang cạn kiệt và giảm thiểu ô nhiễm, hiệu ứng nhà kính cũng như tạo điều kiện thuận lợi hơn cho việc phát triển nguồn năng lượng này, Việt Nam đã có chiến lược và chính sách khá cụ thể Luật Điện lực ngày 03 tháng 12 năm 2004; Luật sửa đổi, bổ sung một số điều của Luật Điện lực ngày 20 tháng 11 năm 2012 đã quy định về chính sách phát triển điện nông thôn, miền núi, hải đảo Quy hoạch phát triển điện quốc gia giai đoạn

2006 - 2015 có xét đến 2025 được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt tháng 7/2007 cũng nêu rõ các chương trình đầu tư phát triển điện nông thôn tiếp tục được thực hiện với mục tiêu phấn đấu đến năm 2010 có 95% và năm 2015 có 100% các xã có điện Đặc biệt, trong chiến lược phát triển năng lượng quốc gia của Việt Nam đến năm 2020, tầm nhìn đến năm 2050 được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt tháng 12/2007, mục tiêu đẩy mạnh phát triển năng lượng mới và tái tạo đã được nhấn mạnh

Việc nghiên cứu tìm ra các nguồn năng lượng mới và sạch đã trở thành nghiên cứu mũi nhọn của nhiều quốc gia, đặc biệt là các nước phát triển Trong công cuộc đi tìm nguồn năng lượng mới này con người đã đạt được những thành công nhất định

Nguồn điện độc lập sinh ra từ các tổ hợp phát điện từ các tấm pin mặt trời và máy phát điện Diezen quy mô nhỏ và vừa, lưới điện có công suất hạn chế mang tính chất lưới yếu độc lập hoàn toàn với lưới điện quốc gia mang tính chất lưới cứng Các nguồn năng lượng tái tạo đặc biệt là năng lượng Mặt trời được xem là một nguồn năng lượng tiềm năng để bổ sung cho hệ thống điện độc lập Hệ thống điện độc lập thông thường lấy nguồn năng lượng từ tổ hợp phát điện Diezen làm nền, là nguồn cung cấp năng lượng chính, nguồn năng lượng từ hệ thống phát điện năng lượng Mặt trời (NLMT) được huy động để giảm thiểu lượng tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch [4]

Nguyên tắc cơ bản để một hệ thống điện ổn định là sự cân bằng công suất giữa nguồn phát và tải tiêu thụ Mối quan hệ cân bằng nói trên phản ánh

sự cân bằng giữa công suất cơ của các nguồn năng lượng cơ sơ cấp cung cấp cho các máy phát với công suất điện tiêu thụ của phụ tải và các tổn hao Trong

hệ thống NLMT, Năng lượng sinh từ bức xạ Mặt trời lại biến động thất thường theo thời gian, ngẫu nhiên và không thể điều khiển được Khi một hệ thống NLMT hòa vào lưới quốc gia thì phải tuân theo những tiêu chuẩn cơ bản của

nhà quản trị về điện áp, tần số, sóng hài được quy định trong Grid-Codes, lưới

điện quốc gia coi như một kho năng lượng vô hạn có khả năng hấp thụ tất cả lượng công suất phát vào Với hệ thống điện độc lập, công suất nguồn phát lẫn dung lượng dây truyền tải là hữu hạn Hệ thống điện độc lập mang đặc điểm lưới yếu, quán tính thấp nên rất nhạy cảm với những biến động của cả nguồn phát cũng như phụ tải

Đảm bảo nguyên tắc cân bằng công suất nói trên, hệ thống điều khiển giám sát (SCADA) có những sự tác động mang tính chất điều độ để vận hành lưới ổn định như: Điều chỉnh công suất nguồn phát, sa thải phụ tải Khi điều

chỉnh công suất nguồn phát, hệ thống điện độc lập có khả năng tác động: Điều chỉnh nguồn phát Diezen Với hệ thống NLMT, công suất đầu ra không chủ động huy động được Với nguồn phát Diezen, tác động điều độ có thể diễn ra chủ động theo cả chiều tăng và giảm công suất nguồn phát Khi nguồn phát năng lượng Mặt trời được huy động cùng với nguồn phát Diezen, sự chia sẻ công suất tác dụng giữa các nguồn phát dẫn tới đòi hỏi điều chỉnh công suất liên tục đưa tới hệ thống điều khiển tốc độ của động cơ Diezen để điều chỉnh công suất cơ của động cơ sơ cấp Trong khi đó ở hệ thống điện độc lập, nguồn phát Diezen đóng vai trò hình thành lưới, tần số lưới tỷ lệ với tốc độ quay của động cơ sơ cấp Diezen Chính hiện tượng điều chỉnh liên tục công suất nguồn phát làm cho tần số lưới luôn biến động gây suy giảm nghiêm trọng chất lượng điện năng, ảnh hưởng tiêu cực đến sự hoạt động của các thiết bị điện cũng như chính bản thân tuổi thọ của động cơ Diezen Vì vậy, để khai thác hiệu quả năng lượng Mặt trời trong hệ thống điện độc lập cần thiết phải có giải pháp kỹ thuật phù hợp để giảm thiểu hiện tượng biến động công suất sao cho chất lượng điện năng (tần số) của cả hệ thống phải được đảm bảo phù hợp với một số tiêu chuẩn IEEE 1547.4, EN 50160 hoặc IEC cho phép tần số lưới có sai lệch 50 ± 1% Một trong những giải pháp phát huy được hiệu quả đó là sử dụng thiết bị kho điện để bổ sung công suất thiếu hụt hoặc hấp thụ công suất dư thừa của nguồn

phát năng lượng Mặt trời qua đó làm trơn (smoothing) công suất đầu ra của các

hệ thống NLMT Siêu tụ có những ưu thế vượt trội so với các công nghệ tích trữ năng lượng khác trong những ứng dụng đòi hỏi động học nhanh Thiết bị

kho điện sử dụng siêu tụ (SCESS - Supercapacitor Energy Storage Systems)

bao gồm siêu tụ và hệ thống biến đổi năng lượng (tầng công suất) có khả năng trao đổi công suất hai chiều đã được một số nhà khoa học nghiên cứu, thử nghiệm tích hợp trong hệ thống điện với mục tiêu đảm bảo chất lượng điện năng Các chiến lược điều khiển và cấu trúc điều khiển của các công trình nghiên cứu trước đây phong phú nhưng vấn đề điều khiển bộ biến đổi DC-DC hai chiều còn nhiều hạn chế như: Điều khiển tách biệt hai chiều năng lượng đòi

hỏi phải có khóa chuyển giữa các chế độ; hoặc điều khiển hợp nhất hai chiều năng lượng sử dụng một cấu trúc điều khiển nhưng cơ sở thiết kế bộ điều khiển không tường minh do thiếu một mô hình động học phù hợp với các phương pháp điều khiển tuyến tính, phi tuyến Những tồn tài đó dẫn tới nguy cơ suy giảm chất lượng hay thậm chí hệ mất ổn định khi điểm công tác thay đổi, tham

số của hệ thay đổi[7][1][4] Vì vậy, trong luận văn này, tác giả thực hiện phân tích các chế độ làm việc của bộ biến đổi DC-DC hai chiều không cách ly để dẫn tới một mô hình động học mô tả thống nhất hai chiều năng lượng Các phương pháp điều khiển tuyến tính bước đầu được áp dụng đối với mô hình động học thống nhất hai chiều năng lượng của hệ

Đối tượng nghiên cứu:

Thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ với ba thành phần: Siêu tụ, bộ biến đổi DC-DC hai chiều

Mục đích nghiên cứu:

Đề xuất cấu trúc điều khiển thích hợp và có hiệu quả đối với hệ thống kho điện sử dụng siêu tụ để đảm bảo chất lượng điện năng của hệ thống điện độc lập nguồn phát hỗn hợp năng lượng Mặt trời - Diezen

Kiểm chứng cấu trúc điều khiển hệ thống kho điện được đề xuất thông qua những minh chứng bằng lý thuyết và thực nghiệm

Phương pháp nghiên cứu:

Nghiên cứu trên lý thuyết các thuật toán điều khiển thiết bị kho điện đảm bảo tính ổn định, chất lượng điện năng của hệ thống điện độc lập nguồn phát hỗn hợp năng lượng Mặt trời - Diezen

Kiểm chứng khả năng làm việc của các cấu trúc điều khiển đề xuất cho SCESS trên công cụ mô phỏng và thực nghiệm

Phạm vi nghiên cứu:

Hệ thống điện độc lập được vận hành ở chế độ phụ tải biến động ngẫu nhiên Phụ tải của hệ thống được giả thiết: Phân bố tập trung, đối xứng với hai dạng thuần trở và tải trở cảm

Thiết bị kho điện không vận hành ở chế độ sự cố lưới: Ngắn mạch, lồi/lõm điện áp, mất đối xứng điện áp/dòng điện

Thiết bị kho điện chỉ thực hiện chức năng ổn định ngắn hạn công suất từng hệ thống NLMT riêng rẽ (bù phân tán); không xử lý vấn đề hỗ trợ phụ tải đỉnh

Ý nghĩa của đề tài:

Trong những năm gần đây, các hệ thống phát điện năng lượng Mặt trời trên thế giới cũng như trong nước phát triển mạnh mẽ Do chưa có cấu trúc và thiết kế cụ thể, để giải quyết vấn đề giảm thiểu sự ảnh hưởng của hiện tượng biến động công suất của phụ tải đến hệ thống điện độc lập Luận văn đặt ra mục tiêu thiết kế cấu trúc điều khiển quá trình trao đổi năng lượng của thiết bị kho điện nhằm ổn định ngắn hạn khi công suất phụ tải có biến động trong thời gian ngắn, qua đó đảm bảo chất lượng điện năng trong hệ thống điện độc lập nguồn phát hỗn hợp năng lượng Mặt trời - Diezen

Với những tiền đề như vậy luận văn hứa hẹn đem lại những ý nghĩa tích cực về mặt khoa học lẫn thực tiễn:

Ý nghĩa khoa học: Chỉ ra khả năng ổn định công suất đầu ra của hệ thống

NLMT bằng thiết bị kho điện SCESS với những cấu trúc điều khiển thích hợp

sẽ nâng cao chất lượng điện năng trong hệ thống điện độc lập nguồn phát hỗn hợp năng lượng Mặt trời - Diezen

Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu này sẽ là tiền đề cho việc tích hợp

thiết bị kho điện phù hợp với một số lưới điện chiếu sáng độc lập nói riêng và

hệ thống điện vi lưới cô lập nói chung tại Việt Nam để nâng cao độ tin cậy vận hành, giảm thiểu sự tiêu thụ năng lượng hóa thạch so với lưới điện truyền thống (chưa tích hợp kho điện)

Bố cục luận án gồm 4 chương chính như sau:

Chương 1 NGHIÊN CỨU KHÁI QUÁT VỀ NĂNG LƯỢNG MỚI VÀ

NGUỒN ĐIỆN ĐỘC LẬP

Giới thiệu về năng lượng mới và tái tạo Đưa ra cấu trúc hệ thống điện độc lập và thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ Từ đó nêu những vấn đề mà luận văn cần tập trung nghiên cứu, giải quyết

Chương 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH THIẾT BỊ KHO ĐIỆN SỬ DỤNG

SIÊU TỤ

Trình bày về mô hình toán của siêu tụ, bộ biến đổi DC-DC hai chiều không cách ly và nghịch lưu nguồn áp DC-AC Cấu trúc điều khiển tổng thể của SCESS

và cấu trúc điều khiển chi tiết của các bộ biến đổi DC-AC và DC-DC

Chương 3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC

Trình bày về cấu trúc điều khiển bộ biến đổi DC - DC bằng PID và tổng hợp thông số cho bộ biến đổi

Chương 4 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG BỘ BIẾN ĐỔI DC - DC VÀ

Chương 1 NGHIÊN CỨU KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MỚI

VÀ NGUỒN ĐIỆN ĐỘC LẬP 1.1 Các nguồn và công nghệ năng lượng mới

Năng lượng loài người đang sử dụng được xuất phát từ nhiều nguồn khác nhau, có thể kể đến như sau:

- Từ thiên nhiên: Than đá, than bùn, dầu, khí thiên nhiên và địa nhiệt

- Do nhân tạo: Có nguồn năng lượng từ thủy điện còn được gọi là than trắng, nguồn năng lượng nguyên tử, năng lượng từ Mặt trời, năng lượng từ ánh

sáng mặt trời và năng lượng thủy triều…

 Đối với năng lượng tài nguyên thiên nhiên thuộc nhóm thứ nhất: theo ước tính thì khoảng độ 80 năm nữa nguồn năng lượng trên sẽ bị cạn kiệt vì con người đã và đang sử dụng nhanh hơn mức tái tạo của thiên nhiên

- Thủy điện đã xuất hiện từ hơn 70 năm trước đây và đã là nguồn hy vọng cho nhân loại trong một thời gian dài Ban đầu căn cứ theo hướng suy nghĩ của những nhà khoa học thời bấy giờ thì thủy điện là một nguồn điện năng sạch và hoàn hảo vì không tạo ra ô nhiễm môi trường, năng lượng có khả năng tái tạo

Do đó, đập thủy điện được tiếp nối xây dựng ồ ạt từ những nước phát triển cho đến những nước đang phát triển Tuy nhiên, trong khoảng 20 năm trở lại đây, khoa học gia trên thế giới đã nhận định đúng đắn thảm họa môi trường do thủy điện gây ra Đó là:

+ Thủy điện đã làm đảo lộn hoàn toàn hệ sinh thái của một vùng rộng lớn chung quanh hồ chứa cũng như ở thượng nguồn và hạ nguồn của đập

+ Thủy điện làm giảm thiểu hoặc hủy diệt đa dạng sinh học của toàn vùng

có thủy điện

+ Hiệu quả kinh tế của thủy điện hoàn toàn đảo ngược vì chi phí cần thiết

để tái tạo lại môi trường thiên nhiên cao hơn lợi nhuận do việc cung cấp điện

năng Ví dụ, điển hình xác minh qua trường hợp của hàng chuỗi đập thiết lập dọc sông Colorado (Hoa kỳ) và Hoàng Hà (Trung Quốc), sau một thời gian khai thác, dòng chảy của hai con sông này không còn điểm đến là vịnh Mễ Tây cơ và biển Trung Hoa nữa Ở Việt Nam, dù mới khai thác đập thủy điện trong khoảng hơn

20 năm nay nhưng nhiều tác hại đã xảy ra như trường hợp đập Yali đã làm ngập lụt thành phố Ratanakiri, Campuchia năm 2000 hay một lượng lớn dân đã phải

di cư khi xây dựng nhà máy thủy điện Hòa Bình và Sơn La

- Nguồn năng lượng nguyên tử đang được nhiều quốc gia Tây phương tây

áp dụng vì nhu cầu gia tăng Tuy nhiên, đối với nguồn năng lượng nguyên tử mức an toàn trong vận hành vẫn là một dấu hỏi lớn và tác hại đến con người và môi trường trong trường hợp tai nạn xảy ra đã làm cho nhiều quốc gia do dự khi quyết định xây dựng thêm nhà máy điện nguyên tử Ví dụ, thảm họa Cherobyl ở Liên xô cũ năm 1986 với 31 người thiệt mạng trực tiếp và khoảng 93.000 người chết do nhiễm phóng xạ sau đó Ngoài ra, phế thải của nhà máy điện nguyên tử vẫn còn là một vấn đề nan giải chưa giải quyết được của nhân loại

- Năng lượng Mặt trời được các nước phát triển và các quốc gia gần vùng xích đạo quan tâm phát triển nhiều hơn Tuy nhiên, do hạn chế về công nghệ

và giá thành sản xuất cao nên năng lượng Mặt trời chưa được phát triển ở những nước đang phát triển

1.2 Vai trò của nguồn năng lượng mới

Do hạn chế của các nguồn năng lượng truyền thống như: Than đá, dầu mỏ, khí đốt, nhà máy điện hạt nhân và thủy điện… nên hiện nay các nước trên thế giới đang tập trung nghiên cứu phát triển các nguồn năng lượng mới thay thế cho các nguồn năng lượng truyền thống

Công nghệ năng lượng mới hiện nay đã được phát triển mạnh và đang trên đường thương mại hóa với giá thành ngày càng giảm, có thể đáp ứng được yêu cầu hiện nay gồm:

- Thủy điện nhỏ

- Năng lượng Mặt trời

- Năng lượng khác: Năng lượng sinh khối, năng lượng địa nhiệt, năng lượng thủy triều…

 Trong đó thủy điện nhỏ đã được phát triển khá mạnh trên thế giới cũng như tại Việt Nam, năng lượng Mặt trời đã được các nước phát triển nghiên cứu

và phát triển với qui mô công nghiệp tuy nhiên do phụ thuộc vào vị trí địa lý nên hiện nay trên thế giới chỉ được phát triển mạnh ở một số nước Châu âu như:

Hà Lan, Đức… các dạng năng lượng khác như Năng lượng sinh khối, năng lượng địa nhiệt, năng lượng thủy triều chưa có khả năng phát triển tại thời điểm hiện tại do hạn chế về công nghệ và giá thành, năng lượng mặt trời hiện nay đã được phát triển và ứng dụng mạnh mẽ với nhiều ưu điểm nên trong luận văn này tập trung nghiên cứu về năng lượng mặt trời

Năm 2003, mức sản xuất hệ thống biến năng lượng mặt trời thành điện năng (có tên là Photovoltaic - PV) trên toàn thế giới đạt đến mức 700 MW, tăng 34% so với năm 2002 Quốc gia có mức tăng trưởng nhanh nguồn năng lượng trên là Nhật Bản với 45% và Âu Châu khoảng 40%

Công nghệ năng lượng mặt trời sử dụng nguồn năng lượng mặt trời để chuyển hóa thành nhiệt năng, điện năng Đối với quốc gia thuộc vùng nhiệt đới trong đó có Việt Nam, hệ thống thiết bị năng lượng này sẽ có tiềm năng lớn để

giải quyết nhu cầu thiếu hụt năng lượng cho tương lai

Nguồn năng lượng mặt trời có khá nhiều ưu điểm gồm:

- Không làm ô nhiễm môi trường

- Không tạo ra hiệu ứng nhà kính

- Không tạo ra phế thải rắn (như nguồn năng lượng do than đá, khí đốt, và

năng lượng nguyên tử)

- Có thể thiết lập ngay tại khu đông đúc gia cư, ngay trên nóc chung cư và

cơ sở sản xuất lớn

Mặc dù hiện nay giá thành của việc thiết lập một hệ thống PV cao hơn 10 lần so với một nhà máy nhiệt điện dùng than đá, 2 lần so với với nhà máy

nguyên tử, 4 lần so với nhà máy dùng khí đốt… Tuy nhiên, chi phí điện năng

sử dụng sẽ được giữ cố định trong vòng 20 năm sau đó vì hệ thống không cần đến nhu cầu nguyên liệu và PV đã được bảo đảm vận hành lâu dài

1.3 Nguồn năng lượng mới ở Việt Nam

Việt Nam là một quốc gia đang phát triển, do đó nhu cầu năng lượng ngày

càng tăng với tốc độ tăng trưởng khoảng (15-20)% Hiện tại chính sách quốc

gia của Việt Nam về nhu cầu năng lượng dựa vào việc thiết lập hệ thống các

nhà thủy điện, nhà máy nhiệt điện tua bin hơi và tua bin khí, một số nhà máy

điện nguyên tử…

Tuy nhiên, để đảm bảo phát triển bền vững và đặc biệt cân bằng được năng lượng của quốc gia trong tương lai, Việt Nam đã và đang tập trung nghiên cứu phát triển các nguồn năng lượng mới trong đó:

- Thủy điện nhỏ đã được quan tâm đầu tư phát triển mạnh mẽ trong vài năm gần đây và phần nào góp phần giảm thiếu hụt điện năng của hệ thống điện quốc gia

- Năng lượng Mặt trời đã được đầu tư nghiên cứu và xây dựng thử nghiệm trên đảo Cát Bà nhưng hiệu quả chưa cao

- Năng lượng mặt trời vẫn là một nguồn năng lượng tối ưu trong tương lai

cho điều kiện Việt Nam đứng về phương diện địa dư và nhu cầu phát triển kinh

tế Nguồn năng lượng này sẽ góp phần vào:

+ Hạn chế hiệu ứng nhà kính và sự hâm nóng toàn cầu

+ Giải quyết ô nhiễm môi trường do việc gia tăng dân số và phát triển xã hội của quốc gia trên thế giới

+ Bổ túc vào sự thiếu hụt năng lượng trong tương lai khi nguồn năng lượng trong thiên nhiên sắp bị cạn kiệt

- Năng lượng địa nhiệt và thủy triều đã bước đầu đầu tư nghiên cứu và ứng dụng trên thế giới, tại Việt Nam do điều kiện về khoa học kỹ thuật và nền kinh

tế chưa phát triển nên chưa được đầu tư nghiên cứu mặc dù với bờ biển trải dài

từ bắc vào nam nên tiềm năng là rất lớn

- Năng lượng tái tạo đã được đầu tư nghiên cứu và đã phát triển, tuy nhiên

do đặc thù của năng lượng tái tạo phân tán nhỏ lẻ khó tập trung nên chỉ thích hợp cho năng lượng nông thôn khó phát triển để sản xuất điện năng

1.4 Khái niệm về hệ thống điện độc lập

1.4.1 Giới thiệu chung

Hệ thống điện độc lập (RAPS - Remote Area Power Systems) là một hệ

thống điện độc lập hoàn toàn với lưới điện quốc gia nằm ở những khu vực xa xôi - nơi mà lưới điện quốc gia không có khả năng vươn tới được Hệ thống điện nói chung bao gồm các nhà máy điện, trạm biến áp, các đường dây tải điện và các thiết bị khác (như tụ bù, thiết bị bảo vệ,…) được liên kết với nhau Đối với hệ thống điện độc lập truyền thống, nguồn phát điện thường là các trạm phát sử dụng năng lượng từ dầu Diezen (gọi là tổ hợp phát điện Diezen) Sự phát triển mạnh mẽ của các công nghệ năng lượng tái tạo, các hệ thống phát điện pin năng lượng Mặt trời được tích hợp thêm vào hệ thống điện độc lập truyền thống với mục tiêu giảm tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch Khi đó, hệ thống điện độc lập truyền thống trở thành một hệ thống điện với nguồn phát hỗn hợp như minh họa Hình 1.1 Hệ thống điện độc lập có thể phối hợp nhiều nguồn phát điện nhưng phổ biến nhất là hệ thống kết hợp giữa các hệ phát điện năng lượng mặt trời với các tổ hợp phát điện Diezen, hệ thống khi đó được gọi là hệ thống điện lai năng lượng mặt trời - Diezen. Hệ thống điện lai năng lượng mặt trời - Diezen được hình thành bởi hệ thống pin mặt trời kết hợp với một hoặc vài trạm phát điện Diezen cung cấp điện năng cho phụ tải thông qua lưới điện

hạ áp Tùy theo quy mô và đặc điểm phân bố của phụ tải mà hệ thống điện lai năng lượng mặt trời - Diezen có thể có hoặc không có lưới truyền tải Phụ tải điện của hệ thống chiếu sáng công cộng là phụ tải 0,4kV

Ở chế độ độc lập hệ thống điện lai năng lượng mặt trời - Diezen tự chịu trách nhiệm về cân bằng giữa các nguồn phát với tải tiêu thụ để duy trì các chỉ tiêu chất lượng điện năng như tần số, điện áp trong giới hạn cho phép Các nguồn phát trong hệ thống điện lai năng lượng mặt trời - Diezen bao gồm:

nguồn phát có khả năng điều độ là những trạm phát điện diezen và những nguồn phát biến động thất thường từ hệ thống pin năng lượng Mặt trời Do đó,

để đảm bảo chất lượng điện năng và độ tin cậy, hệ thống điện lai năng lượng mặt trời - Diezen thường được tích hợp thêm thiết bị tích trữ năng lượng tạm

gọi tắt là kho điện (Energy Storage Systems - ESS) Thiết bị kho điện có thể

được lắp đặt rải rác ở những vị trí cần bù (bù phân tán) hoặc lắp đặt tập trung

ở bus kết nối tất cả các nguồn phát (bù tập trung) như thể hiện trên Hình 1.1

Hình 1.1: Minh họa hệ thống điện độc lập

1.4.2 Vấn đề đảm bảo chất lượng điện năng

Hệ thống điện lai năng lượng mặt trời - Diezen, công suất nguồn phát lẫn dung lượng lưới truyền tải là hữu hạn Hệ thống điện lai năng lượng mặt trời - Diezen không trao đổi công suất với lưới điện quốc gia mà phải tự đảm bảo các chỉ tiêu chất lượng điện năng trên cơ sở nguyên tắc cơ bản của bất cứ hệ thống điện nào: Cân bằng công suất giữa nguồn và tải Trong những nhân tố

đó, phụ tải biến động ngẫu nhiên (có thể dự đoán được nhưng không hoàn toàn

chính xác); nguồn phát năng lượng Mặt trời có công suất đầu ra hoàn toàn biến động ngẫu nhiên theo những yếu tố tự nhiên, gần như không thể dự đoán chính xác Vì vậy, đảm bảo cân bằng trong hệ thống điện lai năng lượng mặt trời - Diezen là một vấn đề không đơn giản Nếu công suất tác dụng của các nguồn phát nhỏ hơn yêu cầu của phụ tải thì tần số sẽ giảm và ngược lại Tần số là thước đo cân bằng công suất tác dụng Khi tần số nằm trong phạm vi cho phép (quy định bởi tiêu chuẩn chất lượng điện năng) thì có nghĩa là đủ công suất tác dụng Với công suất phản kháng, nếu công suất phản kháng phát nhỏ hơn yêu cầu thì điện áp sẽ giảm, còn khi công suất phản kháng nguồn lớn hơn yêu cầu của phụ tải thì điện áp sẽ tăng Điện áp là thước đo cân bằng công suất phản kháng trong hệ thống điện

Trong hệ thống điện độc lập, công suất phản kháng được đáp ứng bởi nguồn phát Diezen, các bộ tụ bù, kháng điện, các bộ SVC, STATCOM được tích hợp một cách hợp lý để đảm bảo chất lượng điện áp

Đối với vấn đề ổn định công suất tác dụng: Hệ thống điện lai năng lượng

mặt trời - Diezen mang đặc điểm lưới yếu, quán tính thấp nên rất nhạy cảm với những biến động của cả nguồn phát cũng như phụ tải Khi huy động thêm nguồn phát điện năng lượng mặt trời biến động (vào sáng sớm, chiều hay trời dầy mây,…) Trung tâm điều khiển phải thực hiện tác động điều độ các nguồn phát

về công suất tác dụng để giữ ổn định hệ thống

- Đối với hệ thống năng lượng mặt trời: Quang năng biến động ngẫu nhiên nên tác động điều độ công suất tác dụng chỉ có thể diễn ra theo chiều hướng giảm công suất thông qua điều chỉnh góc nghiêng của tấm pin hoặc đơn giản

là sử dụng tải giả (Dump load) Điều này gây lãng phí năng lượng và hiệu quả điều chỉnh không đủ nhanh để giữ ổn định hệ thống

- Đối với nguồn phát Diezen, tác động điều độ có thể diễn ra theo cả chiều tăng và giảm công suất nguồn phát bằng hai phương pháp độc lập: điều chỉnh công suất phản kháng thông qua điều chỉnh kích từ máy phát sử dụng bộ AVR

và điều chỉnh công suất tác dụng thông qua điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ sơ cấp sử dụng bộ điều tốc

Ở hệ thống điện lai năng lượng mặt trời - Diezen, tần số lưới tỷ lệ trực tiếp với tốc độ của động cơ sơ cấp Diezen Trong trường hợp mất cân bằng công suất tác dụng, bộ điều tốc tác động điều chỉnh công suất cơ của động cơ Diezen

để đưa tần số trở lại giá trị định mức trong khoảng thời gian cho phép từ 10-15 giây gọi là tác động điều chỉnh sơ cấp Tuy nhiên, tác động điều chỉnh của bộ điều tốc thường chậm hơn so với những biến động nhanh của nguồn phát điện năng lượng mặt trời làm cho trạng thái cân bằng trong hệ thống không được đảm bảo Hiện tượng này làm suy giảm chất lượng điện năng, ảnh hưởng xấu đến sự hoạt động của các thiết bị điện cũng như chính bản thân tuổi thọ của động cơ Diezen

Để giảm thiểu ảnh hưởng những biến động của công suất tác dụng đầu ra

hệ phát điện năng lượng mặt trời, có thể sử dụng thiết bị kho điện: tích hợp kho điện tại từng tấp pin năng lượng mặt trời (bù phân tán) hoặc tích hợp kho điện tại Bus chung của các nguồn phát (bù tập trung) Kho điện sẽ hấp thụ công suất khi nguồn sơ cấp dư thừa và giải phóng công suất khi nguồn sơ cấp thiếu hụt

1.5 Thiết bị tích trữ năng lượng

Chức năng cơ bản của thiết bị tích trữ năng lượng là tích lũy khi nguồn

sơ cấp dư thừa và xả ra khi nguồn sơ cấp thiếu hụt Các hệ thống kho năng lượng được đặc trưng bởi khả năng tích lũy/xả ra khoảng thời gian (ngắn hạn hay dài hạn) với công suất danh định Thời gian cỡ một vài giây được xem là

ngắn hạn, trong khi đó lớn hơn một giờ được coi là dài hạn Thời gian huy

động năng lượng từ thiết bị tích trữ năng lượng quyết định chức năng của kho trong hệ thống

1.5.1 Bộ tích trữ năng lượng một chiều dùng ắc quy

Kho năng lượng một chiều là sự kết hợp các phần tử R, C với nguồn một chiều UDC Được tạo thành từ việc ghép nối tiếp hoặc song song các ắcquy 12V (24V) để cung cấp được dải công suất tính toán yêu cầu của hệ thống

Ắcquy là một trong những công nghệ tích trữ năng lượng mang lại giá trị hiệu quả kinh tế cao nhất, ở đó năng lượng được tích trữ duới dạng điện Tất cả

các hệ thống ắcquy được tạo ra từ việc thiết lập từ những ngăn năng lượng điện

áp thấp được mắc nối tiếp với nhau để có được điện áp một chiều đầu ra định mức và bằng cách ghép nối song song để cung cấp lượng công suất mong muốn

Số lần ắcquy có thể được nạp và phóng điện một cách chắc chắn phụ thuộc vào công nghệ chế tạo ắc quy

Trên thế giới nhiều nước đã áp dụng công nghệ ắcquy khác nhau như: ắcquy chì, ắcquy Sodium-Nickel Chloride (Na/NiCl2), ắcquy Solium-Sulfur (Na/S), ắcquy Nickel-Cadmium (Ni/Cad), ắcquy Lithium Ion,…

Ắcquy chì (hình 1.2) là loại ắcquy xuất hiện từ rất sớm Nó bao gồm bản cực âm là chì và bản cực dương là chì oxit, dung dịch axit sulfuric làm điện môi Hiện nay loại ắcquy này đã được phát triển và cải tiến mạng lại nhiều lợi ích hơn, đặc biệt là giá thành và độ tin cậy Tuy nhiên một hạn chế của loại ắcquy này là hoạt động kém ở nhiệt độ thấp

Hình 1.2: Cấu tạo của ắc quy chì

Ắcquy Sodium-Nickel Chloride (Na/NiCl2) còn được biết đến với cái tên ắcquy ZEBRA Loại ắcquy này có thể hoạt động trong dải nhiệt độ rộng (-40o

÷ 70o), có đặc tính an toàn cao Tuy nhiên loại ắcquy này lại có độ tích trữ năng lượng và mật độ năng lượng không cao

Ắcquy Sodium-Sulfur (Na/S) bao gồm Natri dạng lỏng làm điện cực dương và Sulrur dạng lỏng làm điện cực âm Loại ắcquy này vận hành ở nhiệt

độ (300o ÷ 350oC), do vậy cần có vỏ cách nhiệt tốt để chống tổn thất nhiệt So với ắcquy chì thì nó nhỏ hơn, nhẹ hơn và gọn hơn về kích thước

Ắcquy Nickel-Cadmium (Ni/Cad) là loại ắcquy có độ tin cậy cao, có đời sống tính theo số chu kỳ nạp xả thuộc loại dài nhất, nhưng lại có mật độ năng lượng thấp Bên cạnh đó Cadmium là loại hóa chất độc nên ảnh hưởng nhiều đến môi trường

Ắcquy Lethium Ion là loại ắcquy tương đối mới, có nhiều ưu điểm nổi trội hơn các thế hệ ắcquy trước đó như cho mật độ nạp rất cao (khối lượng nhẹ nhưng có thể trữ được năng lượng cao), tuổi thọ chu kỳ phóng nạp cũng rất cao Nhiều công nghệ chế tạo ắcquy đã được ứng dụng vào sản xuất như công nghệ Nickel-Cadmium, Nickel-Metal, Lithium-Ion nhưng giá thành sản xuất rất cao nên đã có một số công nghệ giá thành sản xuất ban đầu rẻ hơn như Soldium-Sunfur, Zinc-Bromine, ắcquy axit điện cực chì (lead acid batteries) Tuy nhiên thời gian làm việc thường ngắn sau 100000 lần nạp, phóng điện, chi phí bảo dưỡng cao

Trong hệ thống BESS (BESS - Battery Energy Storage System là hệ thống

tích trữ năng lượng nguồn ắcquy BESS thuộc nhóm thiết bị bù song song trong

hệ thống BESS ra đời nhờ sự kết hợp giữa tiến bộ của công nghệ ăcquy với công nghệ điện tử công suất dựa trên nền tảng của chỉnh lưu PWM với các thuật toán điều khiển thông minh), ắcquy axit điện cực chì được phối hợp chặt

chẽ với các thiết bị điện tử công suất nên đã cải thiện được thời gian làm việc

và giảm chi phí bảo dưỡng

1.5.2 Thiết bị tích trữ năng lượng siêu tụ

Từ năm 1957 người ta đã tình cờ phát hiện siêu tụ điện khi các kỹ sư của General Electric sử dụng than hoạt tính để chế tạo điện cực, khi đó người ta chưa giải thích được cơ chế hoạt động của nó Nhưng sau đó General Electric

đã ngừng phát triển theo hướng này Năm 1966 siêu tụ điện được phát hiện trở lại khi các kỹ sư hãng Standard Oil của Ohio nghiên cứu phát triển pin nhiên liệu Người ta sử dụng hai lớp than hoạt tính được phân cách bằng chất cách

điện xốp, tuy nhiên họ cũng thất bại trong việc thương mại hóa siêu tụ điện Từ năm 1990 do sự phát triển của công nghệ vật liệu tiên tiến cỡ nano (1 nano mét bằng một phần tỷ mét) các sản phẩm siêu tụ điện đã được thương mại hóa với thị trường lên đến 400 triệu USD năm 2005 Đặc biệt trong lĩnh vực nguồn điện cho ôtô điện dựa trên công nghệ CMOS kích cỡ 22 nm, siêu tụ điện đã có bước tiến rất đáng kể

Siêu tụ điện (supercapacitor hay ultracapacitor), là một loại tụ hóa có mật

độ điện dung cực cao

Trước đây nó được gọi là tụ điện lớp kép (electric double-layer capacitor, EDLC) Nó có thể có điện dung đến 10.000 farad ở 1,2 volt, lấp vùng trống giữa tụ hóa và pin sạc Thông thường nó trữ năng từ 10 đến 100 lần nhiều hơn mật độ trữ năng lượng của tụ hóa thường, và phóng nạp nhanh hơn pin sạc Về kích thước thì nó lớn hơn pin sạc cùng mức trữ năng cỡ 10 lần

Siêu tụ điện có điện môi không theo ý nghĩa truyền thống, mà sử dụng điện dung tĩnh điện lớp kép (electrostatic double-layer capacitance), hoặc giả điện dung điện hoá (electrochemical pseudocapacitance), hoặc lai

cả hai

Tụ tĩnh điện lớp kép EDLS (Electric double-layer capacitor) sử dụng anode là carbon hoặc dẫn xuất với điện dung tĩnh điện lớp kép cao hơn nhiều so với pseudocapacitance điện hóa, đạt được việc tách điện tích trong lớp kép Helmholtz tại giao diện giữa các bề mặt của điện cực dẫn và chất điện phân Sự tách điện tích xảy ra ở cỡ một vài ångströms (0,3-0,8 nm), nhỏ hơn nhiều so với một tụ điện thông thường

Giả tụ điện hóa (Pseudocapacitor) sử dụng oxit kim loại hoặc polyme dẫn điện có giả điện dung điện hóa cao Pseudocapacitance đạt được bằng chuyển rời điện tử kiểu Faraday với các phản ứng oxy hóa khử đan xen

Tụ lai (Hybrid), chẳng hạn như tụ điện Li-ion, sử dụng hai điện cực với các đặc tính trên, và đạt được mức điện dung cao nhất

Siêu tụ điện được sử dụng trong các đòi hỏi nhiều kỳ sạc/xả nhanh để

cung cấp năng lượng đỉnh đột xuất: trong xe ô tô điện, xe buýt, xe lửa nhanh, cần cẩu, thang máy,

Nó cũng được dùng cho trữ lại điện trong hệ thống tái tạo năng lượng, trong điện năng Mặt trời, điện năng pin Mặt trời

Theo tài liệu [3], cấu tạo của siêu tụ (hình 1.3) bao gồm: Các điện cực, lớp điện môi và màng cách ly nằm giữa các điện cực đó

Hình 1.3: Cấu trúc siêu tụ - hai lớp

Các điện cực: ở các tụ điện truyền thống (tụ điện thường) thì các điện cực là các mặt phẳng Với siêu tụ, các điện cực được làm bằng cacbon hoạt tính có cấu trúc hình lỗ như các tổ ong Do vậy, khi xảy ra quá trình nạp điện cho tụ, các ion dương bị hút về cực âm còn các ion âm thì bị hút về cực dương Chính vì bề mặt điện cực có hình lỗ nên sẽ làm tăng diện tích bề mặt điện cực lên gấp nhiều lần, do đó sẽ có nhiều ion dương, âm bị hút đến các bề mặt điện cực hơn.Vì thế mà điện tích tích trữ trên tụ điện sẽ lớn hơn rất nhiều so với tụ điện thường

Lớp điện môi: Một yếu tố khác biệt nữa là lớp điện môi giữa các điện cực của siêu tụ là chất điện phân, trong khi lớp phân cách giữa hai bản tụ là chất cách điện thậm chí là không khí Tính chất của chất điện phân này sẽ quyết định điện áp định mức của siêu tụ, điện áp định mức cần thấp hơn điện áp oxi hóa của chất điện phân Thêm vào đó, chất điện phân này phải có khả năng hòa tan hay làm phân hủy các muối để cung cấp ion tự do trong tụ Tính chất quan trọng của các ion có trong chất điện phân là tính lưu động cao, điều này sẽ

quyết định đến điện trở nối tiếp của siêu tụ, cũng như khả năng phóng nạp của siêu tụ là nhanh hay chậm, thường thì điện trở nối tiếp của siêu tụ rất là nhỏ

Màng cách ly: Có tác dụng là cách ly hai điện cực, tuy nhiên nó phải có khả năng cho các ion đi qua

Hình 1.4: Hình dáng bên ngoài của siêu tụ

Nguyên lý hoạt động của siêu tụ: Bên trong siêu tụ có hai hiện tượng vật

lý quyết định đáp ứng của các ion là quan hệ khuếch tán và tĩnh điện Khi siêu

tụ vừa kết thúc quá trình xả thì các ion trong chất điện môi trở nên cân bằng do

có sự khuếch tán Nếu lúc này siêu tụ được nạp thì các ion bị hút bởi điện trường đặt giữa các điện cực, quá trình cách ly của các ion xảy ra Nguyên nhân chính gây ra hiện tượng tự xả của siêu tụ chính là quá trình khuếch tán Hình

dáng bên ngoài của một loại siêu tụ như trên Hình 1.4

Ngoài hai thiết bị tích trữ năng lượng gọi là kho điện kể trên, còn có một số thiết bị tích trữ năng lượng như bánh đà tích trữ cơ năng, pin nhiên liệu tích trữ hóa năng và thủy điện tích năng,…

1.5.3 Các yêu cầu chính đối với thiết bị tích trữ năng lượng

Tùy theo ứng dụng mà thiết bị tích trữ năng lượng cần phải đáp ứng về công suất cũng như thời gian giải phóng năng lượng phù hợp:

- Ứng dụng quản lý năng lượng yêu cầu thiết bị kho điện phải có dung lượng lớn, thời gian giải phóng có thể kéo dài hàng giờ;

- Ứng dụng chuyển nguồn yêu cầu dung lượng thấp hơn, thời gian giải phóng năng lượng có thể kéo dài cỡ vài phút;

- Ứng dụng đảm bảo chất lượng điện năng và độ tin cậy đòi hỏi thiết bị kho điện phải có khả năng giải phóng nhanh (cỡ mili giây)

Bảng 1.1 Phân loại kho năng lượng theo thời gian

STT Khoảng thời gian Công nghệ

1

Ngắn hạn (Short-term)

Supercapacitors, flywheel, super conducting

magnetic storage

2

Trung bình (Medium-term)

Fuel cells, compressed air energy storage,

batteries

3

Dài hạn (Long-term)

Pumped storage

Các công nghệ tích trữ năng lượng được nghiên cứu ứng dụng và triển khai cho đến nay có thể được phân nhóm như Bảng 1.2 Với mục tiêu đảm bảo chất lượng điện năng, thiết bị kho điện hỗ trợ ổn định điện áp và tần số Tần số được ổn định thông qua điều chỉnh công suất tác dụng ở đầu ra của tuabin Mặt trời Điện áp được điều chỉnh thông qua điều chỉnh công suất phản kháng Các công nghệ tích trữ năng lượng cần thiết phải có một hệ thống biến đổi năng lượng để có thể trao đổi công suất với lưới điện

Bảng 1.2 Phân loại kho năng lượng theo hình thức tích lũy

STT Dạng năng lượng Công nghệ

1

Nhóm điện năng(Electrical

energy storage)

Siêu tụ (Supercapacitors - SC hay Ultracapacitor

- UC); Cuộn dây từ trường siêu dẫn (Superconducting magnetic energy storage-

- MCFCs; Metal -Air batteries)

1.5.3.1 Hệ thống có khả năng đáp ứng dài hạn, tốc độ chậm

Hệ thống thủy điện tích năng PHS (Pumped Hydro Storage) phục vụ nhu cầu tích trữ năng lượng dài hạn, công suất có thể lên đến hàng trăm GW Năng lượng lúc dư thừa được sử dụng để bơm nước lên hồ chứa trên cao Thời điểm phụ tải đỉnh, nước được xả để làm quay turbine máy phát điện - quá trình biến thủy năng thành điện năng Hệ thống PHS đòi hỏi kinh phí xây dựng rất tốn kém

Hệ thống kho năng lượng khí nén CAES (Compressed Air Energy Storage) phục vụ nhu cầu tích trữ năng lượng dài hạn, công suất lớn Năng lượng lúc dư thừa được biến thành khí nén và được huy động ngược trở lại để cung cấp cho lưới trong quá trình phụ tải đỉnh

1.5.3.2 Hệ thống có khả năng đáp ứng ngắn hạn, tốc độ cao

Hệ thống tích trữ năng lượng sử dụng bánh đà FES (Flywheels Energy Storage) thường được sử dụng cho những ứng dụng đòi hỏi động học nhanh, đảm bảo chất lượng điện năng trong thời gian ngắn Năng lượng được tích trữ dưới dạng cơ năng dự trữ dưới dạng động năng trong thiết bị bánh đà với quán tính rất lớn nối trục với máy điện có thể hoạt động ở cả chế độ động cơ (tích trữ năng lượng) và máy phát (giải phóng năng lượng)

Hệ thống siêu dẫn từ SMES (Superconducting Magnetic Energy

Storage) sử dụng năng lượng được tích trữ dưới dạng từ trường khi dòng điện

một chiều chảy qua cuộn dây siêu dẫn Hệ SMES có động học nhanh, hiệu suất cao (lên đến 90%) Vấn đề khó khăn chính của công nghệ này là phải duy trì nhiệt độ cỡ 50-77oK để bảo đảm tính siêu dẫn của vật liệu kéo theo chi phí vận hành lớn SMES có thể gặp trong những ứng dụng về khử lõm điện áp, ổn định tần số trên hệ thống điện độc lập

Hệ thống acqui BESS (Battery Energy Storage System) là công nghệ tích trữ năng lượng được sử dụng rộng rãi nhất BESS phù hợp với cả những ứng dụng về quản lý năng lượng, hỗ trợ phụ tải đỉnh, hỗ trợ lưới khi nguồn chính gặp sự cố (UPS) Thông thường các acqui được ghép nối với nhau thành bộ để tăng dung lượng, tăng điện áp công tác

Hệ thống tích trữ năng lượng sử dụng siêu tụ SCESS (Supercapacitor Energy Storage Systems) có khả năng tích lũy trực tiếp năng lượng ở dạng điện năng DC Siêu tụ được biết đến với những tên gọi: SuperCapacitor (SC); Ultra-Capacitor (UC) hay Electric Double-layer Capacitor (EDLC) Một số ưu điểm vượt trội như:

- Điện dung lớn với kích thước nhỏ gọn (có thể đến hàng nghìn Farad);

- Động học nhanh: thời gian xả nạp năng lượng cực nhanh với công suất lớn;

- Mật độ công suất lớn hơn nhiều so với tụ thường, acqui;

- Hiệu năng cao, tần số xả nạp lớn, có thể xả kiệt mà không bị ảnh hưởng đến tuổi thọ, ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và thân thiện với môi trường

Vì điện áp công tác tối đa của mỗi tụ chỉ vài Vol nên sẽ phải mắc nối tiếp một lượng lớn tụ để đạt được điện áp cần thiết Tùy thuộc yêu cầu về công suất huy động để mắc song song nhiều nhánh tụ Các bộ biến đổi công suất kiểm soát quá trình nạp/xả của siêu tụ với lưới điện có thể trao đổi công suất một chiều sử dụng bộ nạp và bộ nghịch lưu riêng biệt hoặc sử dụng các bộ biến

đổi công suất có khả năng trao đổi công suất hai chiều như minh họa trên Hình 1.5

Hình 1.5: Minh họa thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ

1.6 Vấn đề điều khiển thiết bị kho điện

Trong hệ thống điện độc lập có thể phân chia thành nhiều cấp điều khiển, các nguồn phát có vai trò khác nhau trong hệ thống sẽ phải đáp ứng các yêu cầu về điều khiển khác nhau Đối với nguồn phát năng lượng mặt trời - Diezen

có tích hợp thiết bị kho điện:

- Nguồn phát 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

Thiết bị kho điện được đặc trưng bởi hai yếu tố: Dung lượng thiết kế và cấu trúc điều khiển hệ thống biến đổi năng lượng Hệ thống biến đổi năng lượng biến đổi dạng năng lượng tích trữ thành điện năng phù hợp với phương

án tích hợp kho điện (phân tán hay tập trung) và phụ thuộc cấu trúc của nguồn phát năng lượng mặt trời - Diezen (xoay chiều - tập trung hay một chiều - tập trung) sẽ dẫn tới những yêu cầu về điều khiển khác nhau

- Phương án bù tập trung, dung lượng kho điện đòi hỏi lớn, tỷ lệ với

dung lượng của toàn hệ thống điện Vấn đề điều khiển kho điện bù tập trung