ứng dụng hệ điều khiển dead-beat nâng cao động học cho bộ nguồn trong mạng điện nguồn năng lượng mới và tái tạo

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN THÀNH TRUNG ỨNG DỤNG HỆ ĐIỀU KHIỂN DEAD-BEAT NÂNG CAO ĐỘNG HỌC CHO BỘ NGUỒN TRONG MẠNG ĐIỆN NGUỒN NĂNG LƯỢNG MỚI VÀ TÁI TẠO LUẬN VĂN THẠC SĨ K

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN THÀNH TRUNG

ỨNG DỤNG HỆ ĐIỀU KHIỂN DEAD-BEAT NÂNG CAO ĐỘNG HỌC CHO BỘ NGUỒN TRONG MẠNG ĐIỆN NGUỒN NĂNG LƯỢNG MỚI VÀ TÁI TẠO

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

THÁI NGUYÊN, NĂM 2014

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN THÀNH TRUNG

ỨNG DỤNG HỆ ĐIỀU KHIỂN DEAD-BEAT

NÂNG CAO ĐỘNG HỌC CHO BỘ NGUỒN TRONG MẠNG ĐIỆN NGUỒN NĂNG LƯỢNG MỚI VÀ TÁI TẠO

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Mã số: 60520216

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: TS Ngô Đức Minh

THÁI NGUYÊN, NĂM 2014

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là Nguyễn Thành Trung, học viên lớp cao học Tự động hoá niên khoá 2011-2013, sau hai năm học tập và nghiên cứu, được sự giúp đỡ của các thầy cô giáo và đặc biệt là Thầy giáo hướng dẫn tốt nghiệp của tôi, Thầy giáo TS Ngô Đức Minh Tôi đã hoàn thành chương trình học tập và đề tài tốt nghiệp là “ Ứng dụng hệ điều khiển Dead – Beat nâng cao động học cho bộ nguồn trong mạng điện nguồn năng lượng mới và tái tạo”

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của Thầy giáo TS Ngô Đức Minh và chỉ sử dụng các tài liệu đã được ghi trong danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác Nếu phát hiện có sự sao chép tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Thái Nguyên, ngày tháng 5 năm 2014

Học viên

Nguyễn Thành Trung

MỤC LỤC

i

ii

Mục lục iii

vi

ẽ, đồ thị vi

LỜI NÓI ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG 3

1.1 Khái niệm về chất lượng điện năng 3

1.1.1 Chất lượng tần số 3

1.1.2 Chất lượng điện áp 4

1.2 Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng điện năng 5

1.2.1 Chỉ tiêu tần số 5

1.2.2 Chỉ tiêu điện áp 5

1.2.3 Chỉ tiêu độ tin cậy của lưới điện 12

1.3 Các giải pháp nâng cao chất lượng điện năng và nguồn dự phòng 15

1.3.1 Giải pháp ổn định tần số 15

1.3.2 Giải pháp ổn định điện áp 16

1.3.3 Giải pháp tăng độ tin cậy của lưới điện 16

1.4 Kết luận chương 1 18

Chương 2: BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT VÀ CHỨC NĂNG CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG 20

2.1 Tổng quan về năng lượng tái tạo 20

2.1.1 Năng lượng Mặt trời 21

2.1.2 Năng lượng gió 22

2.1.3 Thủy điện nhỏ 23

2.1.4 Các dạng năng lượng tái tạo khác 24

2.2 Mô hình Mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ (MĐCBTĐN) 24

2.2.1 Giới thiệu chung 24

2.2.2 Phân tích hoạt động của MĐCBTĐN 26

2.2.3 Mô hình BESS trong mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ 33

2.3 Hệ thống tích trữ năng lượng dùng acquy (BESS) 33

2.3.1.Giới thiệu chung 33

2.3.2.Bộ biến đổi công suất 34

2.3.3.Điện cảm đầu ra của bộ biến đổi công suất 38

2.3.4.Kho tích trữ năng lượng một chiều 39

2.3.5 Mô hình bộ biến đổi BESS trong mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ 47

2.3.6 Phương pháp điều khiển BESS 51

2.4 Thiết kế bộ điều khiển cho hệ BESS 61

2.4.1.Các phương án thiết kế bộ điều chỉnh dòng điện cho hệ BESS 61

2.4.2.Cấu trúc bộ điều chỉnh kiểu PI 62

2.4.3.Bộ điều chỉnh kiểu Dead-Beat 64

2.4.4.Thiết kế bộ điều chỉnh điện áp tại điểm kết nối chung PCC 69

2.4.5.Bộ điều khiển công suất tác dụng 71

2.5 Kết luận chương 2 72

Chương 3: MÔ HÌNH HÓA PHỎNG TRONG MẠNG ĐIỆN CỤC BỘ THỦY ĐIỆN NHỎ 74

3.1 Xây dựng mô hình mô phỏng 74

3.2 Các khối chính 74

3.2.1 Khối nguồn: 74

3.2.2 Khối đường dây và tải: 76

3.2.3 Khối BESS 77

3.3 Kết quả mô phỏng 81

3.3.1 So sánh động học của bộ điều khiển dòng kiểu PI và kiểu D-B 81

3.3.2 So sánh chất lượng điều khiển khi hệ thống bị kích động 82

3.4 Kết luận chương 3 87

Chương 4: MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM HỆ BESS TRONG MẠNG ĐIỆN CỤC BỘ THỦY ĐIỆN NHỎ 88

4.1 Thực nghiệm hệ BESS trong phòng thí nghiệm 88

4.1.1 Cấu trúc thí nghiệm hệ BESS 88

4.1.2 Thông số kỹ thuật của bộ biến đổi: 91

4.2 Xây dựng chương trình phần mềm 92

4.3 Kết quả thí nghiệm hệ BESS 95

4.4 Kết luận chương 4 97

KẾT LUẬN CHUNG 98

TÀI LIỆU THAM KHẢO 99

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

BESS Battery Energy Storage System Hệ thống lưu trữ năng lượng dùng

IGBT Insulated Gate Bipolar

Transistor Transistor có cực điều khiển cách ly PCS Power Conditioning System Hệ thống điều khiển công suất PCC Point of Common Coupling Điểm kết nối

IGBT Insulated Gate Bipolar

Transistor trasistor có cực điều khiển cách ly

MOSFET Metal-Oxide Semiconductor

Field-Effect Transistor

transistor hiệu ứng trường Oxit Kim loại - Bán dẫn

PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung

PI Proportional–Integral controller Bộ điểu khiển kiểu PI

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang

Bảng 1.1: Độ biến dạng sóng hài điện áp 11

Bảng 2.1 Các số liệu và kết quả tính toán mạng điện trong trường hợp máy phát vận hành đầy tải 30

Bảng 2.2 Các số liệu và kết quả tính toán mạng điện trong trường hợp hạ thấp công suất vận hành của máy phát 32

Bảng 2.3 Bảng thời gian đóng/cắt cho các van bán dẫn trong mỗi sector 60

Bảng 3.1 Thông số mạch điều khiển turbine thủy điện 75

Bảng 3.2 Thông số mạch điều khiển dòng kích từ máy phát 76

Bảng 3.3 Thông số đường dây 76

Bảng 3.4 Thông số của IGBT 78

DANH MỤC HÌNH VẼ

(Hình vẽ, ảnh chụp, đồ thị)

Trang

Hình 1.1 Đồ thị phân bố điện áp dọc theo đường dây cung cấp điện 7

Hình 2.5 Mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ có BESS 33

Hình 2.6 Cấu trúc mạch lực của BESS 34

Hình 2.7 Cấu trúc và ký hiệu IGBT 35

Hình 2.8 Sơ đồ thử nghiệm IGBT 36

Hình 2.9 Đặc tính đóng mở van IGBT 36

Hình 2.10 Cấu tạo của ắcquy axít điện cực chì 41

Hình 2.11.mạch điện nối với mạch ngoài và 42

Hình 2.12 Sơ đồ tương đương của ắcquy 44

Hình 2.13 Quá trình phóng điện ắcquy phụ thuộc vào dòng phóng 45

Hình 2.14 Sự phụ thuộc của công suất vào dòng điện phóng 46

Hình 2.15 a) Thay thế BESS như một nguồn áp tại PCCi; b) Cấu trúc bộ biến đổi BESS 47

Hình 2.16 Sơ đồ thay thế bộ biến đổi BESS 48

Hình 2.18 Mô hình bộ biến đổi BESS trong hệ tọa độ quay dq tựa điện áp lưới 50

Hình 2.19 Mô hình bộ biến đổi BESS trong miền toán tử Laplace 51

Hình 2.20 Cấu trúc điều khiển hệ BESS trong mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ 52

Hình 2.21 Biểu diễn các đại lượng vector trên tọa độ dq tựa điện áp 53

Hình 2.22 Cấu trúc khối đồng bộ tựa điện áp lưới PLL 55

Hình 2.23 Dạng tín hiệu tựa đồng bộ điện áp lưới có được bằng kết quả mô phỏng 55

Hình 2.24 Tám khả năng chuyển mạch trong bộ biến biến đổi van 58

Hình 2.25 Vị trí các vector chuẩn trên hệ toạ độ αβ 58

Hình 2.26 Tổng hợp vector chuẩn trong sector 1 59

Hình 2.27 Thời gian đóng/cắt mỗi van trong sector 1 60

Hình 2.28 Dạng sóng biến điệu vector SVM có được bằng kết quả mô phỏng 61

Hình 2.30.Cấu trúc bộ điều chỉnh dòng kiểu PI cho bộ biến đổi BESS 63

Hình 2.31 Cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng điện kiểu Dead-Beat 66

Hình 2.32 Đáp ứng động học giữa tín hiệu đặt và thực đối với bộ điều chỉnh Dead-Beat 67

Hình 2.33 Cấu trúc bộ điều chỉnh dòng kiểu Dead-Beat 68

Hình 2.34 Cấu trúc điều khiển công suất tác dụng 72

Hình 3.1 Mô hình mô phỏng hệ BESS trong MĐCBTĐN công suất 85 kVA 74

Hình 3.2 Cấu trúc nguồn thủy điện 85 kVA-0,4kV 75

Hình 3.3 Cấu trúc mạch lực của BESS 77

Hình 3.4 Khối đo lường 79

Hình 3.5a Cấu trúc bộ điều khiển vòng ngoài cho bộ điều dòng điện kiểu PI 79

Hình 3.5b Cấu trúc bộ điều khiển dòng điện kiểu PI 80

Hình 3.6a Cấu trúc bộ điều khiển vòng ngoài cho bộ điều dòng điện kiểu D-B 80

Hình 3.6b Cấu trúc bộ điều khiển dòng điện kiểu D-B 81

Hình 3.7 So sánh đáp ứng động học của bộ điều chỉnh PI và D-B 81

Hình 3.8a Trị hiệu dụng điện áp trên tải trong các chế độ khác nhau, trường hợp dùng bộ điều khiển D-B 83

Hình 3.9a Trị hiệu dụng điện áp trên tải trong các chế độ khác nhau, trường hợp dùng bộ điều khiển PI 83

Hình 3.9b Biên dạng điện áp trên tải trong các chế độ khác nhau, trường hợp dùng bộ điều khiển PI 84

Hình 3.10a Biên dạng dòng điện 3 pha trên tải, trường hợp dùng bộ điều khiển D-B 84

Hình 3.10b Kiểm tra THD cho dòng điện tải do BESS cấp tại thời điểm 0,6s, trường hợp dùng bộ điều khiển D-B 85

Hình 3.10c Biên dạng dòng điện 3 pha trên tải, trường hợp dùng bộ điều khiển PI 85

Hình 3.10d Kiểm tra THD cho dòng điện tải do BESS cấp tại thời điểm 0,8s, trường hợp dùng bộ điều khiển PI 86

Hình 3.11 Bess với BĐKD kiểu PI khi bù công suất đỉnh 87

Hình 3.11 Bess với BĐKD kiểu Dead-Beat khi bù công suất đỉnh 87

Hình 4.1 Cấu trúc thí nghiệm hệ BESS 88

Hình 4.2 Bàn thí nghiệm hệ BESS 89

Hình 4.3 Cấu trúc R&D DS1104 90

Hình 4.4 Giao diện điển hình dùng DS1104 90

Hình 4.5 Động cơ thí nghiệm 91

Hình 4.6 Hệ thống ăcquy thí nghiệm 92

Hình 4.7 Mối liên hệ giữa các phần mềm điều khiển 93

Hình 4.8 Cấu trúc chương trình phần mềm 94

Hình 4.9 Thuật toán điều khiển hệ BESS 94

Hình 4.10 Khối đo lường ADC 95

Hình 4.11 BESS huy động thành phần công suất tác dụng cho động cơ khởi động 96

Hình 4.11 Biên độ dòng điện đỉnh nhọn khi động cơ khởi động và BESS 96

Hình 4.12 Điện áp ăcquy khi BESS khi động cơ khởi động 97

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay, từ cuối thế kỷ 20 và đặc biệt trong 10 năm trở lại đây tình hình năng lượng đang thay đổi - có một số lượng lớn các nguồn cung cấp năng lượng không phải là dạng truyền thống đang được thúc đẩy phát triển mạch

mẽ không những riêng ở nước ta, mà trên phạm vi toàn cầu Đó là các dạng nguồn phát điện theo công nghệ sạch Ví dụ như: phong điện, thủy điện nhỏ, điện mặt trời, V.V Chúng có thể được khai thác dưới các loại hình mạng điện khác nhau: có thể là mạng điện cục bộ, mạng phân tán có kết nối với lưới quốc gia, mạng điện thông minh Trước đây, những loại hình mạng điện này chưa được quan tâm khai thác và phát triển, lý do chính là đặc tính của các dạng nguồn này có tính chất mềm (siêu mềm), không ổn định Tính kinh tế của hệ thống còn thấp, chất lượng điện năng cung cấp chưa đảm bảo Ngày nay, đứng trước sự phát triển về mọi mặt của xã hội, các hoạt động sản xuất ngày càng phong phú, đời sống văn hóa tinh thần của con người ngày một nâng cao dẫn đến đòi hỏi các lưới điện vận hành phải đảm bảo các chỉ tiêu chất lượng điện năng quy định (mang lại lợi ích cho phía người tiêu dùng), giảm nhỏ tối thiểu các tổn thất năng lượng trong mạng và nâng cao hiệu quả khai thác hệ thống (mạng lại lợi ích cho phía sản xuất và phân phối điện năng) Đặc biệt, trong bối cảnh thế giới đang khuyến khích phát triển các nguồn năng lượng sạch, các hệ nguồn phân tán, công suất nhỏ… luôn cần thiết sự kết hợp với các bộ biến đổi, kho lưu trữ năng lượng và kỹ thuật điều khiển hiện đại nhằm phát huy hết công năng của hệ nguồn

Xuất phát từ những phân tích trên tác giả mong muốn đóng góp một phần nghiên cứu của mình nhằm đảm bảo chất lượng hệ nguồn đối với chế độ làm việc bình thường đồng thời có thể nâng cao động học một cách cần thiết

Ví dụ: Chế độ đóng nguồn dự phòng

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu bộ chỉnh lưu tích cực và khả năng cải thiện chất lượng điện năng khi kết hợp với các mạng điện nguồn

năng lượng mới và tái tạo, phạm vi nghiên cứu là nghiên cứu bộ biến đổi với

hệ điều khiển kiểu Dead - Beat so sánh động học với các bộ biến đổi và hệ

điều khiển khác, ý nghĩa khoa học là đề xuất thêm giải pháp sử dụng Bộ biến

đổi với hệ điều khiển Dead-Beat áp dụng trong mạng điện nguồn năng lượng

mới và tái tạo có thể nâng cao được động học hơn so với việc sử dụng những

bộ biến đổi khác qua đó sẽ đem lại nhiều lợi ích thực tế trong việc nâng cao

chất lượng điện năng

Bố cục của luận văn này gồm có 3 chương

Chương 1: Tổng quan về chất lượng điện năng cung cấp

Chương 2: Các Bộ biến đổi công suất và chức năng cải thiện chất lượng

điện năng

Chương 3: Mô hình hóa mô phỏng trong mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ

Chương 4: Mô phỏng và thực nghiệm hệ BESS trong mạng điện cục bộ

Thủy điện nhỏ

Trong quá trình nghiên cứu để thực hiện bài luận văn, mặc dù gặp rất

nhiều khó khăn về vấn đề chuyên môn Nhờ sự giúp đỡ, hướng dẫn tận tình

của thầy giáo TS Ngô Đức Minh đã giúp tôi hoàn hoàn thành luận văn với

kết quả mong muốn đạt được Tuy nhiên bản luận văn này cũng không thể

tránh khỏi những hạn chế, thiếu sót, tác giả kính mong nhận được sự góp ý và

nhận xét của các thầy cô giáo và các bạn để được hoàn thiện hơn

Tôi xin bày tỏ sự biết ơn chân thành tới thầy giáo TS Ngô Đức Minh

cùng tập thể các thầy cô giáo Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp – Đại

học Thái Nguyên đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện cho tôi hoàn thành

luận văn này

Thái Nguyên, ngày tháng 5 năm 2014

Học viên

Nguyễn Thành Trung

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG

1.1 Khái niệm về chất lượng điện năng

Nền kinh tế quốc dân ngày càng phát triển, do đó đòi hỏi ngày càng nhiều năng lượng điện Điều đó đặt ra cho hệ thống cung cấp điện một nhiệm

vụ khó khăn là vừa phải thoả mãn lượng điện năng tiêu thụ, vừa phải đảm bảo chất lượng của nó Vì vậy chất lượng điện năng ảnh hưởng rất lớn đến chế độ làm việc của các phụ tải, điều này sẽ làm ảnh hưởng tới các chỉ tiêu kinh tế kĩ thuật của các phụ tải đó Các thiết bị dùng điện chỉ có thể làm việc với hiệu quả tốt trong trường hợp điện năng có chất lượng cao

Chất lượng điện năng được đánh giá dựa trên hai chỉ tiêu chính là chất lượng Tần số và chất lượng Điện áp Như vậy chất lượng điện năng là mức độ trùng hợp của Tần số và Điện áp so với giá trị chuẩn đã quy định Ngoài ra, chất lượng điện năng còn được đánh giá bằng chỉ tiêu là độ tin cậy của hệ thống, tức là tính liên tục cung cấp điện

1.1.1 Chất lượng tần số

Được đánh giá theo 2 đại lượng:

1 Độ lệch tần số (lấy trong khoảng thời gian là 10 phút)

dm

dm f

f

f f

2 Độ dao động tần số (khi tốc độ biến đổi của tần số nhỏ hơn 0.2 HZ trong thời gian một giây)

dm f

f

f f

Giữ cho độ lệch và dao động của tần số nằm trong phạm vi cho phép là nhiệm vụ của các nhà máy phát điện, các phụ tải dùng điện ít ảnh hưởng tới

tần số, vì vậy về sau này chúng ta sẽ không đề cập đến các biện pháp đảm bảo chất lượng tần số

1.1.2 Chất lượng điện áp

Được đánh giá theo 5 đại lượng (Đối với lưới điện ba pha xoay chiều):

1 Độ lệch điện áp (khi tốc độ biến đổi của điện áp nhỏ hơn 1% trong 1 giây)

2 Độ dao động điện áp (khi tốc độ biến đổi của điện áp không nhỏ hơn 1% trong 1 giây)

% 100 min max

dm U

U U

U

3 Độ không hình sin của dạng đường cong điện áp :

% 100

1

% 100

0 0

2 0 2

2

dm

C B A

U

U a U a U U

U K

) (

% 100

0 0 0 0

0

dm

C B A

U

I U U U I U

U K

phadinhmuc

Trong đó U0- điện áp thứ tự không

1.2 Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng điện năng

1.2.1 Chỉ tiêu tần số

1.2.1.1 Độ lệch tần số

Độ lệch tần số so với tần số định mức:

100

dm

dm

f

f f f

Độ lệch tần số phải nằm trong giới hạn cho phép:

Cũng có nghĩa là tần số phải luôn nằm trong giới hạn cho phép:

fmin f fmax Trong đó:

fmin = fđm - f min

fmax = fđm + fmax 1.2.1.2 Độ dao động tần số

Độ dao động tần số đặc trưng bởi độ lệch giữa giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của tần số khi tần số biến thiên nhanh với tốc độ lớn hơn 0,1% Độ dao động tần số không được lớn hơn giá trị cho phép

* Tại Việt Nam: Theo Thông tư số 32 /2010/TT-BCTngày 30 tháng 7 năm 2010 của Bộ Công thương, về Quy định hệ thống điện phân phối (Điều 4) thì Tần số định mức trong hệ thống điện quốc gia là 50Hz Trong điều kiện bình thường, tần số hệ thống điện được dao động trong phạm vi 0,2Hz so với tần số định mức Trường hợp hệ thống điện chưa ổn định, tần số hệ thống điện được dao động trong phạm vi 0,5Hz so với tần số định mức

1.2.2 Chỉ tiêu điện áp

1.2.2.1 Độ lệch điện áp

Độ lệch điện áp tại một điểm trong hệ thống cung cấp điện là độ chênh lệch giữa điện áp thực tế U và điện áp định mức Uđm với điều kiện là tốc độ biến thiên của điện áp nhỏ hơn 1% Uđm/giây

(1)

mức và có dấu dương trong trường hợp ngược lại Thông thường có nhiều nguyên nhân gây ra độ lệch điện áp Vì vậy độ lệch điện áp tại một điểm nào

đó trong hệ thống cung cấp điện có thể được coi như là tổng đại số các độ lệch điện áp thành phần :

n

U U

1 (2) Trong đó U i- độ lệch điện áp do nguyên nhân thứ i gây ra được tính

- Trong chế độ vận hành bình thường, điện áp vận hành cho phép được sai lệch so với điện áp danh định như sau:Tại điểm đấu nối với Khách hàng sử dụng điện là 5%; Tại điểm đấu nối với nhà máy điện là +10% và -5%

- Trong chế độ sự cố đơn lẻ hoặc trong quá trình khôi phục vận hành ổn định sau sự cố, cho phép mức dao động điện áp tại điểm đấu nối với Khách hàng sử dụng điện bị ảnh hưởng trực tiếp bởi sự cố trong khoảng +5% và –10% so với điện áp danh định

- Trong chế độ sự cố nghiêm trọng hệ thống điện truyền tải hoặc khôi phục sự cố, cho phép mức dao động điện áp trong khoảng 10% so với điện

áp danh định

Những quy định trên cần phải được đảm bảo chặt chẽ, bởi vì độ lệch điện

áp có ảnh hưởng rất lớn đến sự làm việc bình thường của các thiết bị điện Ví dụ khi điện áp giảm 10%, thì mômen quay của động cơ không đồng bộ giảm 19%,

độ trượt tăng 27,5%, dòng trong rôto tăng 14%, trong stato tăng 10%

Các thiết bị chiếu sáng rất nhạy cảm đối với điện áp Khi điện áp giảm 25% thì quang thông của đèn dây tóc giảm 9%, còn khi điện áp tăng 10% thì tuổi thọ của nó giảm 30 - 35% Chình vì vậy độ lệch điện áp cho phép đối với các thiết bị chiếu sáng được quy định nhỏ hơn so với các thiết bị điện khác

Để xác định độ lệch điện áp tại một điểm nào đó trong hệ thống cung cấp điện ta phải xác định tổn thất điện áp trên các phần tử từ nguồn đến điểm đó (chủ yêú là trên đường dây và máy biến áp), đồng thời phải kể đến việc nâng cao điện áp do chọn đầu phân áp của máy biến áp và các biện pháp điều chỉnh điện áp khác

(3)

% 8 1

% 5 1

U

% 4

B U

% 5 2

Hình 1 Đồ thị phân bố điện áp dọc theo

đường dây cung cấp điện

Hình 1.1 Đồ thị phân bố điện áp dọc theo đường dây cung cấp điện

Trong đó U%- độ tăng điện áp do điều chỉnh đầu phân áp và các biện

rằng các điện áp trong công thức (3) phải được quy về cấp điện áp tại điểm xét Hình 1.1 trình bày một ví dụ về phân bố điện áp dọc theo đường dây cung cấp điện và các độ lệch điện ápdo các phần tử trong hệ thống cung cấp điện gây ra Trong đó:

1

% 5

B

% 5

2

Từ hình 1 ta thấy rằng để duy trì điện áp trên cực của phụ tải nằm trong phạm vi cho phép chúng ta phải áp dụng các biện pháp điều chỉnh điện áp để bù vào các tổn thất điện áp do các phần tử trong hệ thống cung cấp điện gâp ra

Độ lệch điện áp là tiêu chuẩn điện áp quan trọng nhất ảnh hưởng lớn đến giá thành hệ thống điện

1.2.2.2 Độ dao động điện áp

Dao động điện áp là sự biến thiên của điện áp xảy ra trong khoảng thời gian tương đối ngắn Phụ tải chịu ảnh hưởng của dao động điện áp không những về biên độ dao động mà cả về tần số xuất hiện các dao động đó

Sự biến thiên nhanh của điện áp được tính theo công thức :

% 100 min max

dm U

U U

U

Nguyên nhân chủ yếu gây ra dao động điện áp là do các phụ tải lớn làm việc đòi hỏi sự đột biến về tiêu thụ công suất tác dụng và phản kháng Các lò

điện hồ quang, các máy hàn, các máy cán thép cỡ lớn v.v… là các thiết bị thường gây ra dao động điện áp

Tuỳ theo biên độ và tần số dao động, người ta quy định những giá trị cho phép sau đây :

- Tần số xuất hiện 2 ~ 3 lần/phút,

dm U

U ( 1 1 , 5 )%

- Tần số xuất hiện 2 ~ 3 lần/giây,

dm U

U 0 , 5 %

Mức độ dao động điện áp phụ thuộc vào tỷ số giữa công suất nguồn và công suất của những phụ tải biến thiên Nói chung khi tỷ số nói trên từ 10 trở lên thì biến thiên của phụ tải thực tế chỉ gây ra dao động điện áp cục bộ tại điểm phụ tải làm việc mà thôi

Tính toán giá trị của biên độ dao động điện áp khá phức tạp vì nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố bất định Có thể sử dụng các công thức gần đúng nhằm đánh giá sơ bộ dao động điện áp lúc thiết kế cung cấp điện sau đây:

Dao động điện áp khi các dao động cơ làm việc có sự biến đổi phụ tải lớn được tính theo công thức:

; 100

%

N

S

Q U

Dao động điện áp khi lò điện hồ quang làm việc

; 100

Trong các công thức trên Q- lượng phụ tải phản kháng biến đổi của

mạch tại điểm có phụ tải làm việc

Dao động điện áp gây ra dao động ánh sáng làm hại mắt người lao động, làm nhiễu máy thu thanh, máy thu hình và các thiết bị điện tử…

Độ dao động điện áp cùng cần được hạn chế trong miền cho phép

1.2.2.3 Độ không hình sin của đường cong điện áp và sóng điều hoà bậc cao Sóng điều hoà bậc cao của dòng điện và điện áp sẽ gây tổn hao phụ về năng lượng điện, làm phát nóng thiết bị điện, tăng nhanh quá trình già hoá của vật liệu cách điện, gây ảnh hưởng xấu đối với chế độ làm việc của các bộ biến đổi van (đổi chiều không hoàn toàn), làm cho các thiết bị đo lường, bảo vệ, điều khiển trong hệ thống cung cấp điện tác động không chính xác

Nguyên nhân sinh ra những sóng hài bậc cao chủ yếu nằm ở phía tải Các tải phi tuyến (VD thường thấy ở các nhà máy dùng các bộ biến đổi điện

tử công suất như chỉnh lưu để mạ, sơn tĩnh điện, nghịch lưu tần số cao luyện thép, máy hàn v.v.) khi hoạt động sẽ phát những sóng hài bậc cao vào lưới, làm méo dạng sóng của lưới

Khi thiết kế cung cấp điện cũng như lúc vận hành phải xét tới các biện pháp hạn chế sóng điều hoà bậc cao

Khi trong hệ thống cung cấp điện có các bộ biến đổi van thì biện pháp hữu hiệu để chống sóng điều hoà bậc cao là dùng các sơ đồ chỉnh lưu nhiều pha (12,24,36,48 pha)

Các bộ lọc cộng hưởng động lực cũng có tác dụng rất tốt để lọc các sóng điều hoà bậc cao Bộ lọc được tạo thành từ điện kháng L và tụ điện C và được chỉnh để cộng hưởng với sóng điều hoà bậc cao muốn lọc Ngoài nhiệm vụ hạn chế sóng điều hoà bậc cao, các tụ điện trong bộ lọc cộng hưởng còn có tác dụng bù công suất phản kháng

* Tiêu chuẩn tại Việt Nam: Theo Thông tư số 32 /2010/TT-BCTngày 30 tháng 7 năm 2010 của Bộ Công thương, về Quy định hệ thống điện phân phối (Điều 7) Tổng độ biến dạng sóng hài (THD) là tỷ lệ của giá trị điện áp hiệu dụng của sóng hài với giá trị hiệu dụng của điện áp cơ bản, biểu diễn bằng đơn vị phần trăm (%), theo công thức sau:

Trong đó:

Tổng độ biến dạng sóng hài điện áp tại mọi điểm đấu nối không được vượt quá giới hạn quy định trong Bảng 1 như sau:

Bảng 1.1: Độ biến dạng sóng hài điện áp

Tần số được đảm bảo bằng cách điều khiển cân bằng công suất tác dụng chung trong toàn hệ thống điện và được thực hiện trong các nhà máy điện 1.2.2.4 Độ không đối xứng

Nếu trong mạng điện có các phụ tải một pha công suất lớn như: máy hàn,

lò điện …thì chúng thường gây ra hiện tượng phụ tải không đối xứng do đó kéo theo điện áp không cân bằng làm lệch điểm trung tính của mạng điện

Để đánh giá mức độ phụ tải không cân bằng có thể dùng biểu thức sau:

độ không cân bằng sẽ nằm trong phạm vi cho phép nếu có tỉ số:

pha; S1fa là phụ tải một pha

Điện áp không đối xứng làm giảm hiệu quả công tác và tuổi thọ của thiết

bị dùng điện, giảm khả năng tải của lưới điện và tăng tổn thất điện năng

* Tiêu chuẩn tại Việt Nam: Theo Thông tư số 32 /2010/TT-BCTngày 30 tháng 7 năm 2010 của Bộ Công thương, về Quy định hệ thống điện phân

% 100 2

phối(Điều 6) Trong chế độ làm việc bình thường, thành phần thứ tự nghịch của điện áp pha không vượt quá 3% điện áp danh định đối với cấp điện áp 110kV hoặc 5% điện áp danh định đối với cấp điện áp trung áp và hạ áp

Vì vậy để giảm độ không cân bằng chúng ta phải cố gắng phân đều phụ tải một pha lên ba pha của mạng điện, đồng thời phân định lịch vận hành của các phụ tải một pha sao cho chúng làm việc rải đều trong các ca sản xuất của

xí nghiệp

1.2.3 Chỉ tiêu độ tin cậy của lưới điện

Độ tin cậy của lưới điện là khả năng hệ thống có thể đảm bảo cung cấp điện liên tục và chất lượng cho các hộ dùng điện Độ tin cậy là một chỉ tiêu quan trọng của hệ thống điện, nó phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố khách quan

và chủ quan Việc tính toán Độ tin cậy cung cấp điện phải được thực hiện ngay từ khi thiết kế hệ thống điện, ngoài ra trong quá trình vận hành mạng điện cũng cần phải thường xuyên khôi phục độ tin cậy của từng phần tử và của cả hệ thống

Tiêu chuẩn tại Việt Nam: Theo Thông tư số 32 /2010/TT-BCTngày 30 tháng 7 năm 2010 của Bộ Công thương, về Quy định hệ thống điện phân phối (Điều 12) thì:

Các chỉ số về độ tin cậy của lưới điện phân phối bao gồm:

- Chỉ số về thời gian mất điện trung bình của lưới điện phân phối (System Average Interruption Duration Index - SAIDI);

- Chỉ số về số lần mất điện trung bình của lưới điện phân phối (System Average Interruption Frequency Index - SAIFI);

- Chỉ số về số lần mất điện thoáng qua trung bình của lưới điện phân phối (Momentary Average Interruption Frequency Index - MAIFI)

Các chỉ số về độ tin cậy của lưới điện phân phối được tính toán như sau:

- SAIDI được tính bằng tổng thời gian mất điện của các Khách hàng sử dụng điện và các Đơn vị phân phối và bán lẻ điện mua điện của Đơn vị phân

phối điện trong một quý chia cho tổng số Khách hàng sử dụng điện và các Đơn vị phân phối và bán lẻ điện mua điện của Đơn vị phân phối điện trong quý đó, theo công thức sau:

4 1 1

j

j

n

i i i j

SAIDI SAIDI

K

K T SAIDI

Trong đó:

Ti: Thời gian mất điện lần thứ i kéo dài trên 5 phút trong quý j;

Ki: Số Khách hàng sử dụng điện và các Đơn vị phân phối và bán lẻ điện mua điện của Đơn vị phân phối điện bị ảnh hưởng bởi lần mất điện thứ i trong quý j;

n: số lần mất điện kéo dài trên 5 phút trong quý j;

K: Tổng số Khách hàng sử dụng điện và các Đơn vị phân phối và bán lẻ điện mua điện của Đơn vị phân phối điện trong quý j

- SAIFI được tính bằng tổng số lần mất điện của Khách hàng sử dụng điện và các Đơn vị phân phối và bán lẻ điện mua điện của Đơn vị phân phối điện trong quý chia cho tổng số Khách hàng sử dụng điện và các Đơn vị phân phối và bán lẻ điện mua điện của Đơn vị phân phối điện trong quý đó, theo công thức sau:

4 1

j

j

j

SAIFI SAIFI

K

n SAIFI

Trong đó:

n: số lần mất điện kéo dài trên 5 phút trong quý j;

K: Tổng số khách hàng trong quý j của Đơn vị phân phối điện

- MAIFI được tính bằng tổng số lần mất điện thoáng qua của Khách hàng sử dụng điện và các Đơn vị phân phối và bán lẻ điện mua điện của Đơn

vị phân phối điện trong quý chia cho tổng số Khách hàng sử dụng điện và các Đơn vị phân phối và bán lẻ điện mua điện của Đơn vị phân phối điện trong quý đó, theo công thức sau:

4 1

j

j

j

MAIFI MAIFI

K

m MAIFI

Trong đó:

m: số lần mất điện thoáng qua trong quý j;

K: Tổng số Khách hàng sử dụng điện và các Đơn vị phân phối và bán lẻ điện mua điện của Đơn vị phân phối điện trong quý j

Căn cứ vào tiêu chuẩn này Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) đã có các quy định về chỉ tiêu suất sự cố (đường dây và trạm biến áp) trong quản lý, vận hành hệ thống điện, làm cơ sở cho việc đánh giá chất lượng quản lý vận hành nguồn lưới đáp ứng yêu cầu cung ứng điện liên tục cho khách hàng Cụ thể như sau:

- Suất sự cố thoáng qua đường dây trung thế : 12 vụ / 100 km/ năm

- Suất sự cố vĩnh cửu đường dây trung thế : 3,6 vụ / 100 km/ năm

- Suất sự cố vĩnh cửu TBA : 1,8 vụ / 100 MBA/ năm

Ngoài ra chỉ tiêu độ tin cậy cung cấp điện cũng dựa trên yêu cầu của từng loại phụ tải, tùy theo tính chất quan trọng của phụ tải người ta chia phụ tải thành 3 loại: Phụ tài loại 1, phụ tải loại 2 và phụ tải loại 3

- Phụ tải loại 1 là những phụ tải quan trọng nhất, nếu mất điện ở các phụ tải này có thể xảy ra chết người hoặc thiệt hại lớn về kinh tế, chính trị (Phụ tải loại 1 là những phụ tải như: Các cơ quan quan trọng của Chính phủ, đài phát thanh, truyền hình; Nhà quốc hội; Phòng giải phẫu ở các bệnh viện; các nhà máy lớn hoặc là các thiết bị quan trọng như các dụng cụ cứu hỏa, các đèn chiếu sáng sự cố…) Các phụ tải loại 1 tuyệt đối không được mất điện, để

đảm bảo các yêu cầu này các phụ tải loại 1 phải được cấp điện từ 2 nguồn điện độc lập (hai nguồn điện được gọi là độc lập nếu sự mất điện của một nguồn không gây ra mất điện của nguồn còn lại), ngoài ra còn có thể sử dụng thêm các nguồn phân tán khác như máy phát, acquy…

- Phụ tải loại 2 là phụ tải quan trọng thứ 2 Nếu mất điện ở các phụ tải này sẽ ảnh hưởng lớn đến sinh hoạt, học tập, giải trí của nhiều người hoặc gây tổn thất đáng kể về kinh tế (Phụ tải loại 2 là những phụ tải như: Các bệnh viện, nhà máy, nhà hát, giảng đường…) Các phụ tải loại 2 yêu cầu không mất điện quá 15 phút Thời gian cho phép mất điện là thời gian cần thiết để đóng nguồn dự trữ hoặc sử lý những sự cố nhỏ Để đảm bảo yêu cầu này, phụ tải loại 2 có thể được cấp điện từ 1 nguồn điện và có 1 nguồn khác dự trữ sẵn sàng cấp điện khi mất điện nguồn cung cấp chính, nguồn dự trữ có thể là 1 nguồn điện từ đường dây khác và cũng có thể là máy phát điện, acquy…

- Phụ tải loại 3 là những phụ tải ít quan trọng nhất Nếu mất điện phụ tải này chỉ ảnh hưởng đến sinh hoạt của một số ít người (như Ký túc xá, câu lạc bộ…) Các phụ tải loại 3 yêu cầu không mất điện quá 24h căn cứ vào yêu cầu này phụ tải loại 3 chỉ cần được cấp điện từ một nguồn điện

1.3 Các giải pháp nâng cao chất lượng điện năng và nguồn dự phòng 1.3.1 Giải pháp ổn định tần số

Sự ổn định của tần số lưới phụ thuộc vào nhà sản xuất điện Việc truyền tải, phân phối và sử dụng không ảnh hưởng tới tần số Tần số lưới ổn định hay không phụ thuộc vào việc điều tốc tua-bin của máy phát điện ở nhà máy điện Như vậy để ổn định tần số lưới điện chúng ta cần quan tâm tới chất lượng của máy móc thiết bị của nhà sản xuất điện Việc kiểm soát máy móc, thiết bị vận hành cũng như liên tục theo dõi, bảo trì, nâng cấp sẽ làm cho tần

số luôn giữ được sự ổn định trong giới hạn quy định

1.3.2 Giải pháp ổn định điện áp

Sự ổn định điện áp phụ thuộc vào cả 3 yếu tố truyền tải, phân phối và sử dụng Về phía nhà máy điện, công suất điện phát ra và việc điều chỉnh kích từ máy phát sẽ ảnh hưởng đến độ ổn định điện áp phát ra lưới Về phía truyền tải

- phân phối điện, mức độ tổn thất điện áp trên đường dây tất nhiên ảnh hưởng đến chất lượng điện áp Về phía sử dụng, nếu công suất tiêu thụ quá lớn đến mức quá tải thì sẽ gây sụt điện áp

Để điều chỉnh ổn định điện áp ta có thể sử dụng các biện pháp sau đây:

- Điều chỉnh điện áp máy phát điện thông qua bộ điều khiển dòng điện kích thích

- Điều chỉnh điện áp đầu ra của máy biến áp tăng áp và của máy biến áp giảm áp thông qua điều chỉnh đầu phân ápthụ động hoặc tự đồng đối với máy biến áp có hệ thống điều áp dưới tải

- Điều chỉnh điện áp trên đường dây tải điện bằng máy biến áp điều chỉnh và máy biến áp bổ trợ

- Thiết lập các thiết bị bù ngang có điều chỉnh để thay đổi tổn thất điện

áp trên đương dây, có thể dùng bộ tụ điện, máy bù đồng bộ hoặc động cơ điện đồng bộ có điều chỉnh kích từ

- Đặt thiết bị bù dọc trên đường dây để thay đổi điện kháng đường dây nhằm thay đổi tổn thất điện áp

Về địa điểm thực hiện điều chỉnh điện áp, có thể ở nhà máy điện, trên mạng điện khu vực và ở mạng điện địa phương hoặc đặt ngay tại thiết bị dùng điện

1.3.3 Giải pháp tăng độ tin cậy của lưới điện

Giải pháp tổ chức – kỹ thuật: Bao gồm các giải pháp[3]

- Dự trữ thiết bị và vật liệu

- Nâng cao yêu cầu đối với nhân viên vận hành và đối với thiết bị

- Xây dựng chế độ làm việc hợp lý, thiết lập quy trình vận hành thiết bị

- Tổ chức hợp lý việc tìm kiếm và loại trừ sự cố

- Tổ chức hợp lý việc đại tu sửa chữa định kỳ

-Tổ chức sửa chữa dưới điện áp (sửa chữa khi có điện) đảm bảo về kỹ thuật và an toàn

Đây là phương pháp không cần sử dụng nhiều vốn đầu tư, thiết bị nên thường mang lại hiệu quả cao nên cần duy trì và thực hiện đầy đủ

Giải pháp kỹ thuật:Các giải pháp thường được áp dụng rộng rãi là:

- Hoàn thiện bảo vệ rơle, sử dụng các loại rơle và phương thực bảo vệ tiên tiến nhất

- Hoàn thiện cơ cấu tự động đóng lắp lại

- Giảm bán kính lưới phân phối

- Dự phòng đường dây

- Dự phòng công suất

- Phân đoạn đường dây

- Nâng cao độ tin cậy của các phần tử riêng

Các phương pháp trên đòi hỏi trang thiết bị và vốn đầu tư, mỗi phương pháp mang lại hiệu quả kinh tế khác nhau Trong đó giải pháp nâng cao chất lượng điện năng bằng cách Dự phòng công suất mà cụ thể là sử dụng các nguồn điện dự phòng nối lưới hiện nay đang rất được quan tâm nghiên cứu và phát triển

Giải pháp này là sử dụng các nguồn điện dự phòng (Các nguồn tích trữ năng lượng như siêu pin, siêu tụ…) được lấy từ các nguồn năng lượng phân tán, nguồn năng lượng mới, tái tạo kết nối với lưới điện thông qua các bộ biến đổi công suất, với mục đích:

+ Cung cấp khả năng nâng cao chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp điện như: Lọc các sóng nhiễu (sóng hài bậc cao ) Bù toàn phần, cấp

điện ngay lập tức cho các phụ tại quan trọng khi bị mất điện hoặc xảy ra sự cố

và phân phối kể cả giảm chi phí đầu tư mới và nâng cấp hệ thống điện

1.4 Kết luận chương 1

Để đáp ứng nhu cầu về cung cấp năng lượng và chất lượng điện năng được cung cấp, việc sử dụng các công nghệ tiên tiến để tăng hiệu suất của lưới điện truyền tải, phân phối là một trong những giải pháp quan trọng và cần được quan tâm

Một trong những biện pháp đang được quan tâm nhất hiện nay là sử dụng các dạng năng lượng mới, tái tạo nhằm đáp ứng trực tiếp cho các phụ tải hay giúp phân bố lại công suất truyền tải trong lưới phân phối Qua đó, giảm việc xây mới các nhà máy điện quy mô lớn, tăng hiệu quả vận hành cho toàn

hệ thống điện

Các dạng nguồn năng lượng tái tạo hiện nay có thể kể đến là năng lượng mặt trời, năng lượng gió, tuy nhiên các dạng năng lượng này có đặc điểm chung là công suất không lớn, lượng công suất phát ra được phụ thuộc vào năng lượng sơ cấp (bức xạ mặt trời, gió…) thay đổi trong ngày, vị trí đặt của các nguồn này (địa hình, có phụ tải sử dụng trực tiếp, có kết nối lưới điện hay không?…) Vì vậy để khai thác hiệu quả và lâu dài các nguồn năng lượng này

ta có thể sử dụng các kho tích trữ năng lượng như Pin, ác quy, tụ , khoa học phát triển hiện nay đã chế tạo ra các siêu pin, siêu tụ có thể tích trữ được lượng năng lượng lớn để sử dụng lâu dài, hiệu quả

Ngày nay khoa học công nghệ phát triển hết sức manh mẽ, nhu cầu của con người ngày càng cao, đòi hỏi các thiết bị sử dụng điện ngày càng hiện đại

kể cả thiết bị công nghiệp cũng như các thiết bị gia dụng Có thể nói, mọi thiết bị đều có điều khiển, chính vì thế chất lượng điện năng cung cấp phải đạt chuẩn Đó là mục tiêu đặt ra cho đề tài: Nghiên cứu ứng dụng hệ điều khiển Dead – Beat để nâng chất lượng điện năng cho nguồn điện sử dụng năng lượng tái tạo có kết nối lưới

C hương 2

BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤTVÀ CHỨC NĂNG CẢI THIỆN

CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG

2.1 Tổng quan về năng lượng tái tạo

Năng lượng tái tạo (NLTT) hay năng lượng tái sinh là năng lượng từ những nguồn liên tục mà theo chuẩn mực của con người là vô hạn Nguyên tắc cơ bản của việc sử dụng năng lượng tái tạo là tách một phần năng lượng từ các quy trình diễn biến liên tục trong môi trường tự nhiên và đưa vào trong các sử dụng kỹ thuật cho một mục đích nào đó của con người Các quy trình này luôn tuân theo quy luật được thúc đẩy từ Mặt trời Vô hạn có hai nghĩa: hoặc là năng lượng tồn tại nhiều đến mức mà không thể cạn kiệt (ví dụ như năng lượng Mặt trời) hoặc là NLTT sẽ tự tái tạo theo quy luật của tự nhiên trong thời gian (vòng đời) ngắn và liên tục (ví dụ như năng lượng sinh khối, phong năng, thủy điện nhỏ từ sóng biển, thủy triều hay các dòng suối…) trong các quy trình còn diễn tiến trong một thời gian dài trên Trái đất

Trong khi các nguồn năng lượng hóa thạch đã được khai thác và sử dụng

từ rất lâu và đang ở giai đoạn cuối của sự cạn kiệt Mặt khác, sự tăng trưởng

về kinh tế, nhu cầu về năng lượng cho sản xuất và đời sống ngày càng gia tăng do đó việc tìm kiếm các công nghệ sử dụng NLTT có ý nghĩa sống còn đối với nhân loại và được sự quan tâm rộng rãi trên quy mô toàn thế giới Trong những năm gần đây, Thế giới trong giai đoạn khủng hoảng năng lượng, cho nên công tác nghiên cứu, thăm dò, khai thác và sử dụng NLTT được nhiều quốc gia chú ý và đã đạt được nhiều thành tựu đáng kể Đặc điểm chung của các nguồn NLTT là mặc dù chúng có mặt khắp nơi trên Trái đất dưới dạng nước, gió, ánh sáng Mặt trời, rác thải… nhưng chúng đều có chung một đặc điểm là phân tán, và không liên tục Việc khai thác trên quy mô công nghiệp đòi hỏi công nghệ cao và vốn đầu tư lớn Trước mắt, khai thác trên quy mô nhỏ, cục bộ cũng là rất thiết thực và đem lại hiệu quả to lớn Tiếp

theo là hình thành mạng phân tán kết nối lưới – Đó là mô hình tất yếu của một tương lai gần

Cho đến nay với sự nỗ lực vượt bậc của các Nhà khoa học trên toàn Thế giới và sự phát triển đồng bộ của các lĩnh vực khoa học, các nghiên cứu về tự nhiên môi trường…, rất nhiều dạng năng lượng mới và tái tạo đã được đưa vào khai thác sử dụng một cách khá hiệu quả Ví dụ như: năng lượng gió, năng lượng Mặt trời, thủy điện nhỏ, năng lượng từ đại dương, dầu thực vật phế thải dùng để chạy xe, năng lượng từ tuyết, nguồn năng lượng địa nhiệt, khí Mêtan hydrate, năng lượng từ sự lên men sinh học Tuy nhiên, ở Việt Nam hiện nay với đặc điểm và điều kiện tự nhiên chúng ta chỉ quan tâm đến các dạng năng lượng chính là điện Mặt trời, phong điện, thủy điện nhỏ, địa nhiệt và năng thủy triều sóng biển

2.1.1 Năng lượng Mặt trời

Năng lượng Mặt trời thu được trên Trái đất là năng lượng của dòng bức

xạ điện từ xuất phát từ Mặt trời đến Trái đất Mặt trời là quả cầu lửa khổng lồ, trong lòng nó diễn ra phản ứng nhiệt hạch với nhiệt độ rất cao lên tới hàng

ứng hạt nhân trên Mặt trời cạn kiệt, ước chừng của các Nhà khoa học là khoảng 5 tỷ năm nữa Như vậy năng lượng Mặt trời được coi là như vô tận so với chuẩn mực của đời sống con người Mặt trời liên tục bức xạ ra không gian xung quanh với mật độ công suất rất lớn, khoảng 1353 W/m2trước khi vào tầng khí quyển trái đất, đó chính là là nguồn gốc của mọi sự sống trên Trái đất Khi xuyên qua khí quyển của Trái đất một phần năng lượng Mặt trời bị hấp thụ Kết quả tính toán cho thấy năng lượng Mặt trời phân bố trên bề mặt

, tương tương 1,5 thùng dầu

Các nghiên cứu của con người đem lại có thể trực tiếp thu lấy năng lượng này thông qua hiệu ứng quang điện, chuyển năng lượng của bức xạ Mặt

trời (BXMT) thành điện năng, như pin Mặt trời Năng lượng của các photon cũng có thể được hấp thụ để làm nóng các vật thể, tức là chuyển thành nhiệt năng, ứng dụng cho bình đun nước Mặt trời, các nhà máy nhiệt điện Mặt trời, các hệ thống máy điều hòa Mặt trời, V.V Trường hợp khác, năng lượng của các photon có thể được hấp thụ và chuyển hóa thành năng lượng trong các liên kết hóa học của các phản ứng quang hóa, V.V Phát triển ngành công nghiệp sản xuất năng lượng từ PV sẽ góp phần thay thế một phần các nguồn năng lượng hóa thạch, giảm phát khí thải nhà kính, bảo vệ môi trường Vì thế, đây được coi là nguồn năng lượng quý giá, có thể thay thế dần những dạng năng lượng cũ đang ngày càng cạn kiệt Việc khai thác sử dụng PV như một nguồn điện tại chỗ và tiến đến kết nối lưới có ý nghĩa rất lớn về khoa học và thực tiễn, góp phần đảm bảo cho cân bằng năng lượng bền vững

2.1.2 Năng lượng gió

Năng lượng gió là động năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyển của Trái đất Bức xạ Mặt trời chiếu xuống bề mặt Trái đất không đồng đều làm cho bầu khí quyển, nước và không khí nóng không đều nhau Một nửa bề mặt của Trái đất (mặt ban đêm), bị che khuất không nhận được bức xạ của Mặt trời và thêm vào đó là bức xạ Mặt trời ở các vùng gần xích đạo nhiều hơn ở các cực Do đó hình thành sự chênh lệch về nhiệt độ và áp suất dẫn đến

sự dịch chuyển của các khối không khí tạo thành gió Mặt khác, Trái đất tự quay tròn theo một trục nghiêng 230

5’ so với mặt phẳng quỹ đạo Trái đất quay xung quanh Mặt trời Điều này là nguyên nhân hình thành các quy luật thay đổi về thời tiết, khí hậu theo mùa Ngoài ra, gió còn chịu ảnh hưởng bởi địa hình tại từng địa phương, do nước và đất có nhiệt dung khác nhau nên ban ngày đất nóng lên nhanh hơn nước, tạo nên khác biệt về áp suất và vì thế có gió thổi từ biển hay hồ vào đất liền Vào ban đêm đất liền nguội đi nhanh hơn nước và hiệu ứng này xảy ra theo chiều ngược lại

Năng lượng gió được nghiên cứu và triển khai với tốc độ rất nhanh trong khoảng 10 năm gần đây Các turbine gió hiện đại bắt đầu được sản xuất từ năm 1979 ở Đan Mạch với công suất từ 200-300 kW Từ năm 2000 đến 2006 công suất các turbine gió tăng nhiều lần, thông dụng là các turbine từ 1 đến 2MW, lớn có thể đến 5MW Ngày nay, tổng công suất turbine gió trên Thế giới ước tính đạt 93.849 MW

Máy phát điện sức gió: Máy phát làm nhiệm vụ biến đổi năng lượng cơ học thành năng lượng điện Có nhiều thiết kế hệ thống máy phát điện chạy bằng sức gió đã được ứng dụng phổ biến như: Máy phát điện một chiều, máy phát

điện xoay chiều đồng bộ nam châm vĩnh cửu, máy phát điện dị bộ nguồn kép

2.1.3 Thủy điện nhỏ

Thủy điện nhỏ được hiểu một cách không thống nhất Đa số các nước phân loại thủy điện nhỏ có công suất dưới 10 MW, tuy nhiên Canađa phân loại thủy điện nhỏ có công suất dưới 20 MW, Hoa Kỳ dưới 30 MW Trong loại thủy điện nhỏ, thủy điện mini có công suất dưới 500 kW, micro dưới 100

kW, trạm pico có công suất dưới 5 kW

Thủy điện nhỏ là nguồn năng lượng có hiệu quả kinh tế rất cao, được chú

ý rộng rãi trên toàn thế giới, đóng góp quan trọng cho cân bằng năng lượng của mỗi quốc gia và đặc biệt có ý nghĩa cho bảo vệ môi trường

Ở Việt Nam, với đặc điểm địa lý của đất nước có nhiều đồi núi, cao nguyên và sông hồ, lại có mưa nhiều Hàng năm mạng lưới sông suối vận chuyển ra biển hơn 870 tỷ m3

nước, tương ứng với lưu lượng trung bình

thủy điện nói chung và thủy điện nhỏ nói riêng

Các trạm thủy điện nhỏ không có yêu cầu cao về công trình thủy công như đập chắn, hồ chứa, bể xả, khả năng điều tiết mức nước Nước từ thượng lưu qua kênh dẫn hoặc đường ống tới hệ thống turbine-máy phát điện, biến

đổi thủy năng thành điện năng Nhiều trạm thủy điện công suất nhỏ (loại mini) có thể không có đập chắn mà lợi dụng những dòng kênh thủy lợi

2.1.4 Các dạng năng lượng tái tạo khác

Trên đây vừa giới thiệu ba dạng năng lượng điển hình, ngoài ra còn một

số dạng NLTT khác cũng được quan tâm phát triển rất nhiều ví dụ như: Năng lượng địa nhiệt, năng lượng đại dương

Địa nhiệt có thể được xem là nguồn năng lượng sản xuất công nghiệp quy

mô vừa và lớn dưới các dạng Nhà máy điện địa nhiệt hay Trung tâm địa nhiệt Năng lượng đại dương được khai thác theo nhiều kiểutrạm phát điện rất phong phú:

Năng lượng do thủy triều và sóng biển tạo ra vô cùng to lớn và cũng rất khó khai thác Có hai giải pháp sử dụng năng lượng thủy triều và sóng biển: + Sử dụng thế năng do độ chênh mức nước thủy triều trong ngày và theo tháng để quay turbine phát điện

+ Sử dụng động năng của sóng hoặc dòng hải lưu quay turbine-máy phát điện

2.2 Mô hình Mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ (MĐCBTĐN)

2.2.1 Giới thiệu chung

Qua phân tích tổng quan về các dạng năng lượng mới và tái tạo, tác giả luận văn chọn hướng nghiên cứu của đề tài tập trung vào dạng năng lượng thủy điện nhỏ áp dụng cho mạng điện cục bộ Nhằm đưa ra một mô hình mạng điện nguồn điện khai thác từ NLTT có chất lượng cao nhờ thực hiện một số giải pháp về cấu trúc mạng và hệ điều khiển nhằm khắc phục một một

số nhược điểm căn bản của thủy điện nhỏ

Mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ trong trường hợp này là một hệ thống điện riêng rẽ, chỉ có một nguồn cung cấp (công suất từ một vài chục đến một

vài ngàn kW), hoạt động có tính chất độc lập không kết nối lưới được mô tả như sơ đồ như hình 2.1

Hình 2.1 Mô tả mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ

Mô hình này đại diện cho một hình thức phát triển mạng điện trong đó điện năng được sản xuất theo công nghệ sạch,thích hợp đối với các khu vực miền núi xa xôi hẻo lánh mà việc đưa điện lưới quốc gia đến không thực hiện được bởi lý do về tính kinh tế hoặc về điều kiện địa hình địa lý không cho phép, mạng điện cục bộ trên cơ sở khai thác tiềm năng sẵn có trong điều kiện

tự nhiên để cấp điện tại chỗ cho những cụm kinh tế địa phương, những công trường khai thác khoáng sản, phục vụ dân sinh V.V sẽ mạng lại ý nghĩa to lớn cả về kinh tế và chính trị xã hội và hơn nữa là vấn đề bảo vệ môi trường

Từ sơ đồ hình 2.1 là cũng như các sơ đồ khác tương tự đều có thể biến đổi về cùng một dạng sơ đồ thay thế tối giản như hình 2.2 để thuận tiện cho việc nghiên cứu và áp đặt một cách tính toán chung

Một hộ phụ tải bất kỳ thứ i nào đó tại điểm kết nối PCCi cách nguồn

+ Một động cơ không đồng bộ

Các phụ tải còn lại của mạng được quy đổi về đầu cực máy phát tại

2.2.2 Phân tích hoạt động của MĐCBTĐN

Ưu điểm của thủy điện nhỏ:

- Tận dụng nguồn tài nguyên thiên nhiên là các dòng chảy nhỏ sẵn có ở các vùng núi Đặc biệt, thủy điện nhỏ càng có ý nghĩa hơn đối với những khu vực xa trung tâm phát triển, không có điện lưới quốc gia

- Bán kính truyền tải ngắn (không quá 10 km), tổn thất năng lượng trên mạng nhỏ nên hệ thống có tính kinh tế cao

- Sản xuất điện theo công nghệ sạch, không phải di dân, xây dựng lòng

hồ nên không xâm hại nhiều đến môi trường tự nhiên, không làm thay đổi tập quán sản xuất và bản sắc văn hóa địa phương trong khu vực

- Phát triển thủy điện nhỏ đang được khuyến khích trên phạm vi toàn cầu

Những vấn đề còn tồn tại

Xuất phát từ các điều kiện địa hình trên các địa bàn khu vực miền núi và đặc điểm của các dòng chảy đầu nguồn có lưu lượng nhỏ, các trạm thủy điện thường được xây dựng kiểu kênh dẫn, hình 2.3

Hình 2.3 Cấu trúc cơ bản của trạm thủy điện nhỏ

Công thức cơ bản tính công suất của một máy phát thủy điện:

3.10

dm m

m

qh T

Trong đó:

- là hiệu suất tổng cộng của các khâu biến đổi năng lượng: turbine, máy phát

- h là cột nước làm vệc của turbine [m]

- Tm là mô men cơ của turbine [Nm]

- là tốc độ quay của turbine [rad/s]

- = g = 9810

Vấn đề điều chỉnh tăng hay giảm công suất vận hành được thực hiện

thông qua điều chỉnh đại lượng q Trong khi đó, đại lượng h được xem như có

giá trị hằng (ít thay đổi theo từng giờ) Đối với các thủy điện vừa và lớn, vấn

đề điều chỉnh lưu lượng q để đáp ứng nhanh công suất chỉ phụ thuộc vào chất

lượng của bộ điều khiển, nhưng với thủy điện nhỏ lại còn phụ thuộc cả vào điều kiện tự nhiên có cho phép hay không? Đặc biệt với thủy điện công suất nhỏ không có bể dự trữ áp lực, kênh dẫn dài, trong quá trình điều chỉnh lưu

Đặc tính điều chỉnh q để cân bằng công suất và ổn định tần số có thời

gian trễ lớn Xem hình 2.4, tại thời điểm 4s tăng công suất tiêu thụ, tốc độ máy phát giảm đột ngột tương ứng tần số lưới suy giảm nghiêm trọng và thời gian trễ kéo dài đến thời điểm 6s (sau 100 chu kỳ lưới) mới khôi phục được tần số định mức

Hình 2.4 Đặc tính ổn định tần số theo tải

Điều này dẫn đến hạn chế khả năng điều chỉnh công suất của máy phát

cả về hai yếu tố là:

- Khả năng quá tải

- Tốc độ huy động công suất đỉnh

Trong khi đó, phụ tải luôn có những đòi hỏi về yêu cầu này: Giả thiết, có động cơ không đồng bộ hoạt động, chế độ khởi động của động cơ đòi hỏi công suất đỉnh lớn từ 5 đến 7 lần công suất định mức Khi đó, mạng điện cục

bộ thủy điện nhỏ bộc lộ một số vấn đề nhược điểm:

10 20 30 40 50

a) Nhược điểm thứ nhất: Máy phát không thể huy động kịp thời công

suất cho động cơ khởi động và nhất là khi hệ số mang tải của máy phát

b) Nhược điểm thứ hai: Quá trình khởi động động cơ bị kéo dài làm

giảm chất lượng điện năng cả về chỉ tiêu tần số và chỉ tiêu điện áp, thậm chí khởi động có thể không thành công, hoặc gây rã lưới

Đứng trước vấn đề này, một số giải pháp thông thường có thể được nêu ra, nhưng để áp dụng với mạng cục bộ thủy điện nhỏ là không phù hợp Ví dụ:

0,7): Làm giảm tính kinh tế của hệ thống, không khai thác hiệu quả tiềm năng của thiên nhiên

Sử dụng các thiết bị khởi động mềm riêng cho mỗi động cơ: Không kinh tế, hệ số tận dụng động cơ thấp

Điều hành san tải: Quá trình sản xuất sẽ thụ động, không đáp ứng đòi hỏi của tải khách hàng

Để nghiên cứu mang tính tổng quát về các tác động của phụ tải, dù là phụ tải đó kết nối với mạng điện tại một điểm bất kỳ PCCi nào đó (PCC1,

tổn thất điện áp và tổn thất công suất trong mạng ta khảo sát hoạt động của mạng điện thông qua một số trường hợp cụ thể sau

Trường hợp thứ nhất:Máy phát vận hành đầy tải, Kpt 1 với các thông

số tính toán như sau:

Các thông số suất định mức của máy phát:

Các giá trị phụ tải được chọn theo giả thiết cho một trường hợp tiêu biểu:

trong đó gồm: