Nghiên cứu phương pháp điều khiển thiết bị tích trữ năng lực trong hệ thống phong điện (LV thạc sĩ)

Nghiên cứu phương pháp điều khiển thiết bị tích trữ năng lực trong hệ thống phong điện (LV thạc sĩ)Nghiên cứu phương pháp điều khiển thiết bị tích trữ năng lực trong hệ thống phong điện (LV thạc sĩ)Nghiên cứu phương pháp điều khiển thiết bị tích trữ năng lực trong hệ thống phong điện (LV thạc sĩ)Nghiên cứu phương pháp điều khiển thiết bị tích trữ năng lực trong hệ thống phong điện (LV thạc sĩ)Nghiên cứu phương pháp điều khiển thiết bị tích trữ năng lực trong hệ thống phong điện (LV thạc sĩ)Nghiên cứu phương pháp điều khiển thiết bị tích trữ năng lực trong hệ thống phong điện (LV thạc sĩ)Nghiên cứu phương pháp điều khiển thiết bị tích trữ năng lực trong hệ thống phong điện (LV thạc sĩ)Nghiên cứu phương pháp điều khiển thiết bị tích trữ năng lực trong hệ thống phong điện (LV thạc sĩ)Nghiên cứu phương pháp điều khiển thiết bị tích trữ năng lực trong hệ thống phong điện (LV thạc sĩ)Nghiên cứu phương pháp điều khiển thiết bị tích trữ năng lực trong hệ thống phong điện (LV thạc sĩ)Nghiên cứu phương pháp điều khiển thiết bị tích trữ năng lực trong hệ thống phong điện (LV thạc sĩ)Nghiên cứu phương pháp điều khiển thiết bị tích trữ năng lực trong hệ thống phong điện (LV thạc sĩ)Nghiên cứu phương pháp điều khiển thiết bị tích trữ năng lực trong hệ thống phong điện (LV thạc sĩ)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Nguyễn Như Hiển

Thái Nguyên 2016

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Họ và tên học viên: Phạm Đức Đề

Ngày tháng năm sinh: Ngày 23 tháng 4 năm 1970

Quê quán: Huyện Đông Hưng - Tỉnh Thái Bình

Nơi công tác: Sở Công Thương tỉnh Quảng Ninh

Cơ sở đào tạo: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Khóa học: 2013 - 2015

TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG PHONG ĐIỆN

KHOA CHUYÊN MÔN PHÒNG ĐÀO TẠO

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

Thái Nguyên 2016

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT

CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Phạm Đức Đề

Sinh ngày 23 tháng 4 năm 1970

Học viên lớp cao học khóa 16 - Kỹ thuật điện - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - ĐH Thái Nguyên

Hiện đang công tác tại: Sở Công Thương tỉnh Quảng Ninh

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tác giả Nội dung trong luận văn đúng như trong đề cương và yêu cầu của Thầy giáo hướng dẫn, tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng Nếu sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm

Tác giả luận văn

Phạm Đức Đề

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương, được sự giúp đỡ và

hướng dẫn tận tình của Thầy giáo PGS TS Nguyễn Như Hiển, luận văn với đề

tài: “ Nghiên cứu phương pháp điều khiển thiết bị tích trữ năng lượng trong hệ

thống phong điện” đã hoàn thành

Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:

Thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Như Hiển đã tận tình chỉ dẫn,

giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn này

Phòng Đào tạo, các Thầy giáo, Cô giáo Khoa điện - Trường Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp - ĐH Thái Nguyên đã tận tình giúp tôi trang bị những tri thức mới, hữu ích, tạo điều kiện, môi trường thuận lợi nhất trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn

Xin chân thành cám ơn các bạn đồng nghiệp đã hợp tác chia sẻ, cung cấp thông tin, tài liệu, số liệu phục vụ cho nghiên cứu đề tài

Tôi xin gửi lời tri ân sâu sắc đến gia đình và những người bạn đã động viên, hỗ trợ tôi rất nhiều trong suốt quá trình học tập, làm việc và thực hiện luận văn

Thái Nguyên, tháng 12 năm 2015

HỌC VIÊN

Phạm Đức Đề

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN……… ……… ………….…… 2

MỤC LỤC ……… … 3

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU……… ……… 5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ……… … 6

MỞ ĐẦU……… ……… 8

CHƯƠNG I: NGHIÊN CỨU KHÁI QUÁT VỀ NĂNG LƯỢNG MỚI VÀ NGUỒN ĐIỆN ĐỘC LẬP 1.1 Giới thiệu khái quát về hệ thống năng lượng mới 14

1.1.1 Các nguồn và công nghệ năng lượng mới 14

1.1.2 Vai trò của nguồn năng lượng mới 14

1.1.3 Nguồn năng lượng mới ở Việt Nam 15

1.2 Khái niệm về hệ thống điện độc lập 16

1.2.1 Giới thiệu chung 16

1.2.2 Vấn đề đảm bảo chất lượng điện năng 17

1.3 Thiết bị tích trữ năng lượng 19

1.3.1 Bộ tích trữ năng lượng một chiều dùng ắc quy 19

1.3.2 Thiết bị tích trữ năng lượng siêu tụ 22

1.3.3 Các yêu cầu chính đối với thiết bị tích trữ năng lượng 25

1.3.3.1 Hệ thống có khả năng đáp ứng dài hạn, tốc độ chậm 26

1.3.3.2 Hệ thống có khả năng đáp ứng ngắn hạn, tốc độ cao 27

1.4 Vấn đề điều khiển thiết bị kho điện 28

1.5 Các nhiệm vụ cần giải quyết của luận văn 30

1.5.1 Lựa chọn thiết bị kho điện 30

1.5.2 Lựa chọn hệ thống biến đổi điện năng 30

1.5.3 Lựa chọn điều kiện các bộ biến đổi 31

1.6: Kết luận chương 1……….… 31

CHƯƠNG II: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THIẾT BỊ KHO ĐIỆN SỬ DỤNG SIÊU TỤ 2.1 Giới thiệu các bộ biến đổi DC- DC 32

2.2 Các bộ biến đổi DC- DC giảm tăng áp không cách ly 33

2.2.1 Bộ biến đổi giảm áp ( buck) 33

2.2.2 Bộ biến đổi tăng áp (boost) 36

2.3 Mô hình thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ 39

2.3.1 Cấu trúc thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ 40

2.3.2 Thiết kế kho điện 41

2.3.3 Mô hình biến đổi DC- DC dùng trong thiết bị kho điện 44

2.4 Kết luận Chương II 47

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ BIẾN ĐỔI DC- DC 3.1 Giới thiệu chung 48

3.1.1 Bộ biến đổi PID 48

3.1.2 Phương pháp tối ưu độ lớn 51

3.2 Cấu trúc điều khiển hệ thống 52

3.3 Hàm truyền đạt DC-DC 53

3.3.1 Xây dựng hàm truyền đạt theo chiều boot 53

3.3.2 Xây dựng hàm truyền đạt theo chiều buck 55

3.4 Tổng hợp bộ điều khiển 56

3.4.1 Tổng hợp bộ điều khiển của bộ biến đổi buck 56

3.4.2 Tổng hợp bộ điều khiển của bộ biến đổi boost 57

3.4.3 Tổng hợp bộ điều khiển của bộ biến đổi buck – boost 57

3.5 Kết luận Chương III 57

CHƯƠNG IV: ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CHO BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC, DC-AC 4.1 Giới thiệu chung 58

4.2 Bộ biến đổi DC- DC 58

4.2.1 Bộ biến đổi DC- DC giảm 58

4.2.2 Mạch DC- DC tăng áp 61

4.3 Mạch DC- AC 64

4.3.1 Sơ đồ lắp ráp của bộ biến đổi DC-AC 64

4.3.2 Kết quả thực nghiệm 64

4.4 Kết luận 65

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 66

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Phân loại kho năng lượng theo thời gian 25 Bảng 1.2 Phân loại kho năng lượng theo hình thức tích lũy 26

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Minh họa hệ thống điện độc lập 17

Hình 1.2 Cấu tạo của ắc quy chì 20

Hình 1.3 Cấu trúc siêu tụ - hai lớp 23

Hình 1.4 Hình dáng bên ngoài của siêu tụ 24

Hình 1.5 Minh họa thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ 28

Hình 2.1 Bộ biến đổi tăng - giảm áp……….……… 32

Hình 2.2 Bộ biến đổi buck 34

Hình 2.3 Mạch boost cơ bản 37

Hình 2.4 Mạch boost với khóa ở trạng thái đóng và mở 37

Hình 2.5 Điện áp và dòng điện của bộ biến đổi ở chế độ liên tục 37

Hình 2.6 Thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ được tích hợp vào nguồn điện độc lập theo phương án bù phân tán 40

Hình 2.7 Cấu trúc mạch lực biến đổi DC-DC dùng trong siêu tụ 44

Hình 2.8 Phân tích các cấu hình mạch điện DC-DC ở chế độ nạp 45

Hình 2.9 Phân tích các cấu hình mạch điện DC-DC ở chế độ xả 46

Hình 3.1 Bộ điều khiển theo quy luật PID 49

Hình 3.2 Dải tần số mà ở đó có biên độ hàm đặt bằng 1 càng rộng càng tốt 51 Hình 3.3 Cấu trúc chung của bộ biến đổi DC-DC 53

Hình 3.4 Mô hình đơn giản của bộ biến đổi boot 54

Hình 3.5 Mô hình đơn giản của bộ biến đổi buck 55

Hình 4.1 Bộ biến đổi DC-DC và DC- AC cho siêu tụ 58

Hình 4.2 Mạch giảm áp sử dụng IC LM2569S 58

Hình 4.3 Sơ đồ nguyên lý mạch giảm áp sử dụng IC LM2569S 59

Hình 4.4 Điện áp đầu vào mạch giảm áp sử dụng IC LM2569S 59

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

Hình 4.6 Điện áp đầu ra nhỏ nhất của mạch giảm áp sử dụng IC 60

LM2569S

Hình 4.7 Mạch tăng áp sử dụng IC XL6009 61

Hình 4.8 Sơ đồ khai triển của IC XL6009 61

Hình 4.9 Sơ đồ nguyên lý của mạch tăng áp sử dụng IC XL6009 62

Hình 4.10 Điện áp vào của mạch tăng áp sử dụng IC XL6009 62

Hình 4.11 Điện áp ra lớn nhất của mạch tăng áp sử dụng IC XL6009 63

Hình 4.12 Điện áp ra 20V của mạch tăng áp sử dụng IC XL6009 63

Hình 4.13 Sơ đồ lắp ráp bộ biến đổi DC – AC 64

Hình 4.14 Điện áp ra hình sin 220V bộ biến đổi DC – AC 64

Hình 4.15 Điện áp ra hình sin 220V nhìn gần 65

độc lập Chẳng hạn, tỉnh Quảng Ninh có vị trí địa lý, kinh tế và chính trị rất

quan trọng Với nguồn tài nguyên thiên nhiên phong phú và đa dạng, có vai trò

to lớn hơn đối với sự nghiệp phát triển đất nước Nhưng vẫn còn một số địa phương của tỉnh như Đảo Trần, huyện Cô Tô và đảo Cái Chiên, huyện Hải Hà hiện chưa có lưới điện quốc gia Xã Cái Chiên có diện tích 2.500 ha, nhưng đa phần là đồi núi và bãi biển; trong đó, chỉ có 108 ha đất nông nghiệp cấy lúa và trồng mầu Cả xã có 154 hộ và 552 nhân khẩu Việc đi lại giữa Cái Chiên với đất liền quá khó khăn Hiện chưa có cảng cập tàu phía đất liền Đảo Cái Chiên đang sử dụng máy phát diezen: 03 trạm phát tổng công suất 400kVA, trạm 1, trạm 2 gồm 04 máy, công suất mỗi máy 80kVA và trạm 3 gồm 02 máy, công suất mỗi máy 40kVA

Đảo Trần là đảo thuộc xã Thanh Lân huyện Cô Tô có bốn mặt giáp biển, địa hình chủ yếu là đồi núi có đỉnh cao nhất là 145m so với mặt nước biển Trên đảo có các con suối nhỏ và một số hồ chứa nước nhân tạo mới xây dựng nhằm

dự trữ nước ngọt phục vụ sinh hoạt cho các đơn vị bộ đội đóng quân trên đảo Đảo Trần có duy nhất một con đường bê tông từ cảng Vụng Tây sang Cảng Vụng Đông, ngoài ra còn có các đường nội bộ của cán bộ, chiến sỹ trên đảo làm nhiệm vụ tuẩn tra trên đảo và hải đăng Nguồn điện cung cấp cho đảo là 01 máy phát điện công suất 180kVA

Chiến lược biển Việt Nam đến năm 2020 đã chỉ rõ, phải phấn đấu để nước ta trở thành một quốc gia mạnh về biển, giàu lên từ biển, bảo vệ vững chắc chủ quyền, quyền chủ quyền quốc gia trên biển, góp phần giữ vững ổn định và phát triển đất nước; kết hợp chặt chẽ giữa phát triển kinh tế – xã hội với

đảm bảo quốc phòng, an ninh và bảo vệ môi trường; có chính sách hấp dẫn nhằm thu hút mọi nguồn lực cho phát triển kinh tế biển; xây dựng các trung tâm kinh tế lớn vùng duyên hải gắn với các hoạt động kinh tế biển làm động lực quan trọng đối với sự phát triển của cả nước Phấn đấu đến năm 2020, kinh tế biển đóng góp khoảng 53 – 55% GDP, 55 – 60% kim ngạch xuất khẩu của cả nước, giải quyết tốt các vấn đề xã hội, cải thiện một bước đáng kể đời sống của nhân dân vùng biển và ven biển Do đó, điện cung cấp cho sản suất và phát triển kinh tế - xã hội là rất cần thiết, dù là lưới điện quốc gia hay mạng độc lập đều phải cung cấp điện năng với chất lượng đảm bảo theo yêu cầu kỹ thuật

Nguồn điện độc lập sinh ra từ các tổ hợp phát điện diesel, quy mô phụ tải nhỏ và vừa, lưới điện có dung lượng 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 gió 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 diesel làm nền, là nguồn cung cấp năng lượng chính, nguồn năng lượng từ hệ thống phát điện sức gió (PĐSG) được huy động để giảm thiểu lượng tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch [3]

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 PĐSG, công suất cơ sản sinh từ turbine gió lại biến động thất thường theo tốc độ gió, ngẫu nhiên và không thể điều khiển được [16, 90] Khi một hệ thống PĐSG 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 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 hai khả năng tác động: Điều chỉnh nguồn phát sức gió và điều chỉnh nguồn phát diesel Với hệ thống PĐSG, công suất đầu ra không chủ động huy động được vì phụ thuộc vào yếu tố gió tự nhiên Với nguồn phát diesel, tác động điều độ có thể diễn ra chủ động theo cả chiều tăng và giảm công suất nguồn phát Khi nguồn phát sức gió được huy động cùng với nguồn phát diesel, 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 diesel để điều chỉnh công suất cơ của động cơ sơ cấp Trong khi đó ở hệ thống điện độc lập, nguồn phát diesel đóng vai trò hình thành lưới, tần số lưới tỷ lệ với tốc độ quay của động cơ sơ cấp diesel 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 diesel Vì vậy, để khai thác hiệu quả năng lượng gió 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 sức gió qua đó

làm trơn (smoothing) công suất đầu ra của các hệ thống PĐSG 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 [1][2][3] 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 gió – diesel

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 gió – diesel

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

Ý nghĩa của đề tài:

Trong những năm gần đây, các hệ thống phát điện sức gió trên thế giới cũng như trong nước phát triển mạnh mẽ Với đặc điểm là một tỉnh giàu tài nguyên gió, do có các khu vực hải đảo rộng lớn, nhưng chưa thể đi vào vận hành khai thác hiệu quả 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 đầu ra của turbine PĐSG 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 công suất đầu ra của turbine PĐSG, qua đó đảm bảo chất điện năng trong hệ thống điện độc lập nguồn phát hỗn hợp gió – diesel

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 mỗi

turbine PĐSG 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 gió – diesel

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 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 I 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 hải đảo 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 II XÂY DỰNG MÔ HÌNH THIẾT BỊ KHO ĐIỆN SỬ

CHƯƠNG III THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC

Các kết quả thu được trên phần mềm mô phỏng MATLAB/Simulink và

mô hình thí nghiệm SCESS chứng minh cho khả năng làm việc, hiệu quả của những giải pháp được đề xuất

CHƯƠNG IV ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CHO BỘ BIẾN ĐỔI

DC-DC, DC-AC

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ chỉ ra những đóng góp của luận văn và hướng phát triển tiếp theo

CHƯƠNG I NGHIÊN CỨU KHÁI QUÁT VỀ NĂNG LƯỢNG MỚI

VÀ NGUỒN ĐIỆN ĐỘC LẬP

1.1 Giới thiệu khái quát về hệ thống năng lượng mới

1.1.1 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, theo ước tính thì khoảng độ 80 năm nữa nguồn năng lượng hóa thạch sẽ

bị cạn kiệt vì con người đã và đang sử dụng nhanh hơn mức tái tạo của thiên nhiên

- Từ nhân tạo: Nguồn năng lượng nguyên tử, năng lượng từ gió, năng lượng từ ánh sáng mặt trời và năng lượng thủy triều,…trong đó đáng kể là năng lượng gió và năng lượng mặt trời có tiềm năng rất to lớn Tuy nhiên, do hạn chế về công nghệ và giá thành sản xuất nên năng lượng gió và năng lượng mặt trời chưa được phát triển ở những nước đang phát triển

1.1.2 Vai trò của nguồn năng lượng mới

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 ánh sáng mặt trời

- Năng lượng sức gió

- 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 hiện nay đã được phát triển và ứng dụng

mạnh mẽ với nhiều ưu điểm, 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, riêng năng lượng gió đã được các nước phát triển nghiên cứu 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,… trong luận văn này tập trung nghiên cứu về hệ thống điện độc lập sử dụng năng lượng từ sức gió

1.1.3 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 của Nhà nước 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 dự án xây dựng 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 gió đã được đầu tư nghiên cứu và xây dựng thử nghiệm nhưng hiệu quả chưa cao (trên đảo vịnh Bắc bộ và một số đảo phí nam)

- 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

1.2 Khái niệm về hệ thống điện độc lập

1.2.1 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 turbine phát điện sức gió 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 sức gió với các tổ hợp phát điện Diezen, hệ thống khi đó được gọi là hệ thống điện lai sức gió – Diezen

Hệ thống điện lai sức gió – Diezen được hình thành bởi một hoặc vài turbine phát điện sức gió kết hợp với một hoặc vài trạm phát điện diesel 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 sức gió – Diezen có thể có hoặc không có lưới truyền tải Phụ tải điện của khu vực hải đảo chủ yếu là phụ tải 0,4kV

Ở chế độ độc lập hệ thống điện lai sức gió – 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 sức gió – 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 turbine gió Do đó, để đảm bảo chất lượng điện năng và độ tin cậy, hệ thống điện lai sức gió – 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

1.2.2 Vấn đề đảm bảo chất lượng điện năng

Hình 1.1: Minh họa hệ thống điện Độc lập

1.2.2 Vấn đề đảm bảo chất lượng điện năng

Hệ thống điện lai sức gió – Diezen, công suất nguồn phát lẫn dung lượng lưới truyền tải là hữu hạn Hệ thống điện lai sức gió – 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 sức gió có công suất đầu ra hoàn toàn biến động ngẫu nhiên theo những yếu tố địa

lý tự nhiên, gần như không thể dự đoán chính xác Vì vậy, đảm bảo cân bằng trong hệ thống điện lai sức gió – 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 diesel, 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 sức gió –

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 sức gió biến động (công suất cơ của các turbine gió tỷ lệ với tốc độ gió) 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 PĐSG: tốc độ gió 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 cánh đón gió 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 diesel, 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 sức gió – 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 sức gió 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 sức gió, có thể sử dụng thiết bị kho điện: tích hợp kho điện tại từng turbine phát điện sức gió (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

1.3 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

1.3.1 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 VDC 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 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 (-400 ÷

700), 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 dẻ 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, tri 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 trí phí bảo dưỡng

1.3.2 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 hóacao Pseudocapacitance đạt được bằng chuyển dời 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 gió, điện năng pin Mặt trời

Theo tài liệu [12], 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 như minh họa Hình 3.9

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,…

1.3.3 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 Supercapacitors, flywheel, super conducting

(Short-term) magnetic 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 gió 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 Siêu tụ (Supercapacitors – SC hay

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

2 Nhóm cơ năng Bánh đà (Fywheels); Thủy điện tích năng

(Mechanical energy (Pumped hydroelectric storage – PHS); Khí nén storage) (Compressed air energy storage – CAES)

3 Nhóm hóa năng Pin-Acqui: Sodium Sulfur (NaS), Lead-Acid (Electrochemical (L/A), Nickel Cadmium (Ni-Cd), Zinc Bromine energy storage) (Zn-Br), Vanadium Redox (VR), Lithium ion (Li- ion), Nickel Metalhydride (Ni-MH); Pin nhiên liệu (fuel cells, molten carbonate fuel cells –

1.3.3.1 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

1.3.3.2 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 cuôn 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

1.4 Vấn đề điều khiển thiết bị kho điện

Trong hệ thống điện hải đảo 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 lai gió – Diezen có tích hợp thiết bị kho điện:

- Nguồn phát Diezen đóng vai trò thiết lập lưới cơ sở

- Hệ phát điện sức gió 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 sức gió 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 lai gió – 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 sẽ dựa trên thông tin về các đại lượng và thông số của lưới điện với những rằng buộc chặt chẽ của vấn đề điều độ - điều khiển cấp hệ thống

- Phương án bù phân tán, thiết bị kho điện chỉ hỗ trợ các turbine phát điện sức gió riêng lẻ, sử dụng thông tin về công suất đầu ra của từng turbine phát

điện sức gió để thực hiện chức năng cấp năng lượng lên lưới nhằm ổn định ngắn hạn công suất đầu ra

Trong thực tế, những khu vực như hải đảo, phụ tải hầu hết là dạng xoay chiều nên luận văn sẽ chỉ tập trung vào nguồn phát lai gió – Diezen sử dụng bus xoay chiều tập trung

Thiết bị kho điện lúc này đóng vai trò là một hệ thống phụ trợ, một chức năng mở rộng của hệ thống phát điện sức gió Kho điện được điều khiển nạp/xả một cách hợp lý để hỗ trợ ổn định công suất đầu ra của turbine phát điện sức

gió, bản thân turbine phát điện sức gió lại hoạt động tuân theo những quy định của nhà quản trị hệ thống điện

Điều khiển quá trình trao đổi năng lượng giữa kho điện với lưới bản chất là quá trình điều khiển các bộ biến đổi điện tử công suất một chiều – một chiều (DC-DC) và một chiều – xoay chiều (DC-AC) Theo các phương án sau:

- Phương pháp điều khiển hai chế độ độc lập: Hai chiều trao đổi công suất ứng với hai chế độ nạp/xả của kho điện được điều khiển riêng biệt bởi hai cấu trúc điều khiển Điểm hạn chế của phương pháp điều khiển hai chế độ độc lập

là luôn đòi hỏi một khóa chuyển chế độ Điều này không những làm suy giảm chất lượng động học mà còn tiểm ẩn những nguy cơ gây mất ổn định hệ thống khi yêu cầu chuyển trạng thái nạp/xả xảy ra với tần số cao hoặc trạng thái nạp/xả không thực sự rõ ràng

- Phương pháp điều khiển hợp nhất: Một cấu trúc điều khiển duy nhất được sử dụng để điều khiển cho cả hai chế độ nạp/xả của kho điện

So với phương pháp điều khiển hai chế độ độc lập, phương pháp điều khiển hợp nhất hai chế độ đem lại độ tin cậy về điều khiển cao hơn do số lượng các bộ điều khiển giảm đi, không tồn tại khóa chuyển giữa các cấu trúc điều khiển

1.5 Các nhiệm vụ cần giải quyết của luận văn

Nhiệm vụ trọng tâm nghiên cứu và giải quyết của luận văn bao gồm:

1.5.2 Lựa chọn thiết bị kho điện:

Lựa chọn siêu tụ là công nghệ tích trữ năng lượng điện là phù hợp với mục đích ổn định ngắn hạn công suất đầu ra turbine phát điện sức gió

1.5.2 Lựa chọn hệ thống biến đổi điện năng:

Cấu trúc mạch lực và luật chuyển mạch đối với các bộ biến đổi công suất

DC-DC và DC-AC nhằm mục tiêu cải thiện hiệu suất, nâng cao công suất, mở rộng khả năng làm việc ở lưới điện hạ thế,… Vì vây, với mục tiêu điều khiển

quá trình trao đổi công suất hai chiều của thiết bị kho điện, sẽ sử dụng cấu trúc

cơ bản của các bộ biến đổi DC-DC và DC-AC

1.5.3 Lựa chọn điều khiển các bộ biến đổi:

Các phương pháp điều khiển bộ biến đổi DC-AC đã gần như hoàn thiện

nên luận văn sẽ kế thừa Bộ biến đổi DC-DC áp dụng các phương pháp điều khiển tuyến tính, tập trung giải quyết vấn đề mô hình hóa bộ biến đổi DC-DC hai chiều hợp nhất hai chế độ trao đổi năng lượng và thiết kế cấu trúc điều khiển quá trình trao đổi năng lượng hai chiều thiết bị kho điện với lưới điện xoay chiều ba pha

1.6 Kết luận Chương I

Trong nội dung chương 1 đã nghiên cứu đặc điểm cấu trúc hệ thống và các vấn

đề điều khiển trong hệ thống điện độc lập nguồn phát hỗn hợp giữa các nguồn năng lượng truyền thống từ với các nguồn năng lượng tái tạo để hình thành lên

hệ thống phát điện lai mà trong đó hệ thống phát điện lai sức gió – Dieezen là đối tượng điển hình thu hút các công trình nghiên cứu trên thế giới Trong đó,

hệ thống phát điện Diezen đóng vai trò thiết lập lưới cơ sở, hệ phát điện sức gió 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 sức gió tránh lây lan các biến động công suất có thể dẫn tới nguy cơ mất ổn định hệ thống Dự kiến sử dụng siêu tụ làm thiết bị tích trữ năng lượng và sẽ đề xuất cấu trúc điều khiển thích hợp theo phương án bù phân tán Chương tiếp theo sẽ đi sâu cấu trúc và điều khiển thiết bị kho điện dùng siêu tụ

CHƯƠNG II XÂY DỰNG MÔ HÌNH THIẾT BỊ KHO ĐIỆN SỬ DỤNG SIÊU TỤ

2.1 Giới thiệu các bộ biến đổi DC - DC

Mục đích của bộ biến đổi DC - DC là tạo ra điện áp một chiều được điều chỉnh để cung cấp cho các phụ tải biến đổi Trong một số trường hợp điện áp một chiều được tạo ra bằng cách chỉnh lưu từ lưới có điện áp biến thiên liên tục

Bộ biến đổi DC - DC thường được sử dụng trong các yêu cầu điều chỉnh được công suất nguồn một chiều, ví dụ như máy tính, thiết bị đo lường, thông tin liên lạc, nạp điện cho ắc quy, siêu tụ,… ngoài ra bộ biến đổi DC - DC còn được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều

Các bộ biến đổi DC - DC là các bộ biến đổi xung nó có thể là các bộ biến đổi một góc phần tư, hai góc phần tư và bốn góc phần tư Bộ giảm áp (Buck) và

bộ tăng áp (Boost) là các cấu trúc biến đổi một góc phần tư cơ bản Bộ biến đổi xung hai góc phần tư là bộ biến đổi xung đảo chiều dòng điện, bao gồm hai bộ biến đổi xung cơ bản là bộ biến đổi xung tăng áp và bộ biến đổi xung giảm áp

Hình 2.1: Bộ biến đổi tăng – giảm áp

Bộ giảm áp thì bao gồm SBK và DBK, công suất thì được cung cấp từ nguồn đến tải Bộ tăng áp thì gồm SBS và DBS công suất thì được chảy ngược về nguồn Các bộ biến đổi xung đảo dòng có thể chuyển từ chế độ nguồn cung cấp sang chế độ tái sinh rất thuận lợi và rất nhanh chóng chỉ bằng các tín hiệu điều khiển cho SBK và SBS mà không cần bất cứ chuyển mạch cơ khí nào