Nghiên cứu cấu trúc điều khiển thiết bị kho điện sử dụng trong hệ thống phát điện lai công suất lớn vận hành ở chế độ ốc đảo

Hệ thống lưới điện sử dụng nguồn năng lượng sức gió thuộc dự án hệ thống phát điện lai Hybrid Power System công suất 7,5MW sức gió kết hợp với máy phát Diesel 7,5MW phục vụ Côn Đảo là mộ

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay các nguồn năng lượng dùng nhiêu liệu gặp những vấn đề: nguyên liệu đang cạn kiệt dần và gây ô nhiễm nghiêm trọng tới môi trường Cần thiết phải phát triển sử dụng các nguồn năng lượng sạch như: năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng sóng biển, địa nhiệt, năng lượng sinh khối để thay thế Tuy nhiên một số vấn đề làm cho việc đưa các nguồn năng lượng này vào ứng dụng một cách rộng rãi gặp khó khăn như: phát năng lượng không ổn định, phụ thuộc vào thiên nhiên, khá tốn kém và các vấn đề về công nghệ Các hệ thống này cần phải có một thiết bị tích trữ năng lượng nhằm mục đích: lấy bớt để tích lại khi nguồn dư công suất và xả ra khi năng lượng lưới bị thiếu Bảo đảm lưới điện vận hành ổn định và tin cậy

Hệ thống lưới điện sử dụng nguồn năng lượng sức gió thuộc dự án hệ thống phát điện lai (Hybrid Power System) công suất 7,5MW sức gió kết hợp với máy phát Diesel 7,5MW phục vụ Côn Đảo là một hệ thống vận hành độc lập không hòa lưới điện quốc gia Hệ thống có một thiết bị kho điện để giúp san bằng các dao động điện áp của lưới Thiết bị tích trữ được sử dụng là tụ hai lớp (Double Layer Capacitor - DLC) hay còn gọi là siêu tụ (Super/Ultra Capacitor) do có đặc điểm nạp nhanh, xả nhanh phù hợp với nguồn sức gió thăng giáng liên tục

Trong phạm vi đề tài là nghiên cứu thiết kế cấu trúc điều khiển bộ biến đổi DC-DC tăng/giảm áp theo phương pháp tuyến tính hóa chính xác - một phương pháp điều khiển phi tuyến

Tôi xin chân thành cảm ơn GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi có thể hoàn thành luận văn thạc sỹ này

MỤC LỤC

DANH SÁCH BẢNG, HÌNH VẼ 4

CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 7

Chương 1 Nguyên lý BESS 11

1.1 Các hệ thống tích trữ năng lượng (BESS): 12

1.1.1 Hệ thống tích trữ năng lượng khí nén (Compressed Air Energy Storage - CAES) 13

1.1.2 Bơm thủy điện (Pumped Hydroelectric Energy Storage - PHES) 14

1.1.3 Hệ thống tích trữ bánh đà (Flywheel Storage) 15

1.1.4 Hệ thống tích trữ từ trường cuộn dây siêu dẫn (Superconducting Magnetic Energy Storage - SMES) 17

1.1.5 Hệ thống tích trữ năng lượng sử dụng ắc qui (Battery Storage) 18

1.1.6 Siêu tụ (Supercapacitor hay Ultracapacitor) 18

1.2 Siêu tụ - Hệ thống tích lũy năng lượng cho nguồn sức gió 20

1.2.1 Năng lượng sức gió 20

1.2.2 Siêu tụ (Super/Ultra Capacitor) 22

1.3 Nguyên lý BESS cho nguồn sức gió sử dụng DLC 29

Chương 2 Mô hình toán học của bộ DC-DC tăng/giảm áp và của BESS 35

2.1 Mô hình toán học bộ tăng/giảm áp một chiều (Buck/Boost Converter) 35

Chương 3 Phương pháp tuyến tính hóa phản hồi trạng thái cho mô hình bộ biến

đổi DC-DC tăng/ giảm áp 48

3.1 Phương pháp tuyến tính hóa phản hồi trạng thái: 48

3.2 Áp dụng phương pháp tuyến tính hóa phản hồi trạng thái cho mô hình bộ biến đổi DC-DC tăng/giảm áp 52

Chương 4 Cấu trúc điều khiển bộ biến đổi DC-DC tăng/giảm áp 55

4.1 Cấu trúc kinh điển bộ điều khiển cho bộ biến đổi DC-DC 55

4.2 Cấu trúc bộ điều khiển theo phương pháp tuyến tính hóa chính xác bộ biến đổi DC-DC tăng/ giảm áp 57

Chương 5 Mô phỏng trên Matlab& Simulink 60

KẾT LUẬN 74

PHỤ LỤC 75

TÀI LIỆU THAM KHẢO 78

DANH SÁCH BẢNG, HÌNH VẼ

Bảng

Bảng 1 So sánh các hệ thống tích trữ hiện nay 19

Bảng 2 Phát triển năng lượng gió ở châu Á từ năm 2007 đến năm 2008 (MW) 21

Bảng 3 Tổng hợp các nhà sản xuất siêu tụ 27

Hình vẽ Hình 1 1 Hệ thống lưới điện có sử dụng BESS .12

Hình 1 2 Phân loại nguyên lý các hệ thống tích trữ năng lượng 13

Hình 1 3 Hệ thống tích trữ năng lượng khí nén .14

Hình 1 4 Hệ thống PHES .15

Hình 1 5 Hệ thống tích trữ năng lượng bành đà .17

Hình 1 6 Hệ thống FESS ghép nối với lưới .17

Hình 1 7 Hệ thống tích trữ năng lượng cuộn dây siêu dẫn ghép nối với lưới xoay chiều .18

Hình 1 8 Tổng công suất năng lượng gió trên thế giới qua các năm 21

Hình 1 13 Lưới điện là hệ thống xoay chiều 3 pha được sử dụng trong dự án 30

Hình 1 14 Lưới điện là hệ thống một chiều 30

Hình 1 15 Hệ thống tích trữ năng lượng ghép nối với lưới xoay chiều ba pha 33

Hình 2 1 Mạch biến đổi tăng/giảm áp một chiều 35

Hình 2 2 Chế độ Boost 36

Hình 2 3 Mạch tương đương ở chế độ Boost khi van T1 dẫn, uo = 1 37

Hình 2 4 Mạch tương đương ở chế độ Boost khi diod D2 dẫn, uo = 0 38

Hình 2 5 Chế độ Buck 41

Hình 2 6 Mạch tương đương ở chế độ Buck: (a) van T2 ngắt; (b) van T2 dẫn 41

Hình 2 7 Mô hình hệ thống tích trữ năng lượng ghép nối với lưới xoay chiều ba pha 42 Hình 2 8 Mạch tương đương của BESS 43

Hình 2 9 Sơ đồ khối cấu trúc mô hình động học của BESS 46

Hình 3 1 Điều khiển tuyến tính hóa chính xác quan hệ vào-ra đối tượng phi tuyến 49

Hình 3 2 Tuyến tính hóa chính xác quan hệ vào-trạng thái đối tượng phi tuyến 50

Hình 4 1 Hai cấu trúc điều khiển bộ biến đổi DC-DC: (a) Chế độ điều khiển điện áp; (b) Chế độ điều khiển dòng điện 55

Hình 4 2 Cấu trúc điều khiển phản hồi trạng thái gán điểm cực cho bộ biến đổi DC tăng/giảm áp 59

Hình 5 1 Mô hình mô phỏng trên Matlab & Simulink chế độ Boost 60

Hình 5 2 Kết quả mô phỏng chế độ Boost khi các thiết bị được coi là lý tưởng 62

Hình 5 3 Các giá trị Ir, IL, Vout mô phỏng khi các thiết bị là lý tưởng 63

Hình 5 4 Cấu trúc mô phỏng khi thêm khâu tích phân và mô hình không lý tưởng, có

dao động điện áp đầu vào E, tải R 64

Hình 5 5 Giá trị hệ số Boost khi có biến thiên E, R và mô hình không lý tưởng 65

Hình 5 6 Các giá trị dòng IR , IL , Vout khi mô hình là không lý tưởng 66

Hình 5 7 Điện áp đầu ra khi không sử dụng khâu tích phân 67

Hình 5 8 Điện áp đầu ra khi có sử dụng khâu tích phân 68

Hình 5 9 Cấu trúc mô phỏng chế độ Buck 69

Hình 5 10 Giá trị dòng điện và điện áp trên DLC chế độ Buck 70

Hình 5 11 Mô phỏng kết hợp cả 2 chế độ Buck/Boost sử dụng DLC 71

Hình 5 12 Hệ số Boost, Vscap và điện áp đầu ra 72

Hình 5 13 Hệ số Buck, Vscap và iL 73

CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Kí hiệu

C Điện dung tụ điện

CB1 Điện dung nối tiếp kho điện khi nạp/ xả

CBP Điện dung của kho điện

Cscap Điện dung của siêu tụ

d Khoảng cách giữa hai bản cực

E Điện áp trên siêu tụ

EDO Điện áp một chiều cực đại qua mạch biến đổi AC-DC

Emax Điện áp cực đại

EN Điện áp trên siêu tụ đã được chuẩn hóa

abc

I Véc tơ dòng điện qua kho điện hệ tọa độ αβ

BES

I Véc tơ dòng điện qua kho điện trên trục d

IBESd Dòng điện qua kho điện trên trục q

IBESq Dòng điện qua kho điện

iC Dòng điện qua tụ trên DC Bus

Imax Dòng điện cực đại

odq

I Véc tơ dòng điện qua kho điện hệ tọa độ dq

iR Dòng điện qua điện trở tải

PBES Công suất hiệu dụng qua hệ thống kho điện (BESS)

PDC Công suất hiệu dụng qua phần tử kho điện

q Số xung của mạch biến đổi

QBES Công suất phản kháng qua hệ thống kho điện (BESS)

QDC Công suất phản kháng qua phần tử kho điện

R Điện trở trên mạch DC Bus

RB1 Điện trở nối tiếp kho điện khi có nạp/xả

RBP Điện trở đặc trưng cho khả năng tự xả của kho điện

RBS Điện trở trong của kho điện

RBT Điện trở gây bởi ghép nối các phần tử của kho điện với nhau

T1 Thời gian van bán dẫn T1 dẫn trong 1 chu kì T

T2 Thời gian van bán dẫn T2 dẫn trong 1 chu kì T

UBES Tín hiệu điều khiển phụ

V Véc tơ điện áp trong hệ tọa độ dq

t

V Véc tơ điện áp xoay chiều của lưới

vscap Điện áp trên siêu tụ

x Véc tơ biến trạng thái

x1, x2 Các biến trạng thái

XCO Điện kháng chuyển mạch của mạch biến đổi AC-DC

Y-∆ Mắc sao - tam giác

BESS Hệ thống tích trữ năng lượng

CAES Hệ thống tích trữ khí nén

D1, 2 Diod 1, 2

DC-AC Mạch chỉnh lưu/ nghịch lưu

DC-DC Bộ biến đổi một chiều - một chiều

dq Hệ tọa độ đồng bộ

MBA Máy biến áp

PHES Hệ thống tích trữ bằng hồ thủy điện

Chương 1 Nguyên lý BESS

BESS: viết tắt của Battery Energy Storage System là hệ thống tích trữ năng lượng một chiều (DC)

Một hệ thống điện gồm tải và nguồn: vận hành ở chế độ bình thường thì công suất tải và nguồn cân bằng (sự cân bằng về cả công suất hiệu dụng P và công suất phản kháng Q, thể hiện giá trị tần số và điện áp lưới luôn ở giá trị định mức) Nếu khi tải tăng (hệ thống các động cơ công suất lớn khởi động, nhu cầu điện ban ngày lớn ) hoặc nguồn giảm (sự cố trên đường dây làm cắt bớt nguồn) làm cho năng lượng cấp cho tải

bị thiếu (lưới điện mất ổn định thể hiện ở giá trị tần số và điện áp lưới giảm) Lưới điện muốn trở lại ổn định và cân bằng thì phải cắt bớt tải đi hoặc khởi động thêm một nguồn

dự phòng Nếu tải giảm (các động cơ công suất lớn dừng, nhu cầu điện về đêm nhỏ ) hoặc nguồn tăng, năng lượng cấp cho tải bị dư thừa (tần số và điện áp lưới tăng) thường thì cắt bớt nguồn hoặc cho xả qua một tải nhiệt Trong cả hai trường hợp đó đều không đảm bảo sự cân bằng và ổn định lưới điện( muốn cắt nguồn, thêm nguồn, cắt tải đều cần thời gian điều này không tốt cho lưới điện Hệ thống điện vẫn sẽ bị mất cân bằng một thời gian Mặt khác việc có tải bị cắt khi có dao động lưới một thời điểm ngắn là khó chấp nhận), gây thất thoát năng lượng Như vậy đặt ra vấn đề cần một thiết

bị khi năng lượng lưới bị thiếu sẽ xả bù vào, khi năng lượng lưới thừa nó sẽ lấy bớt và tích lũy (để dùng khi thiếu chứ không xả vô công)

1.1 Các hệ thống tích trữ năng lượng (BESS):

Hình 1 1 Hệ thống lưới điện có sử dụng BESS.

Một hệ thống điện có sử dụng hệ thống tích trữ năng lượng BESS (Battery Energy Storage System) có cấu trúc như hình 1.1: Hệ thống BESS được ghép nối với lưới điện thường qua một máy biến áp (MBA) Dòng điện năng có thể đi theo hai chiều: từ lưới nạp vào BESS hoặc xả từ BESS trở lại lưới

Hình 1 2 Phân loại nguyên lý các hệ thống tích trữ năng lượng

Nguyên lý các hệ thống tích trữ năng lượng được mô tả trên hình 1.2 dựa trên sự phân loại theo ứng dụng: Ứng dụng cho lưới công suất lớn và ứng dụng trong phân phối điện năng

Trong phạm vi đề tài là các ứng dụng cho lưới công suất lớn, bao gồm:

1.1.1 Hệ thống tích trữ năng lượng khí nén (Compressed Air Energy Storage - CAES) Năng lượng sinh ra từ các nguồn năng lượng mới được sử dụng để chạy các máy nén khí (Compressors), sẽ nén khí vào một bình kín đặt dưới lòng đất (Storage Receiver) Khi nhu cầu năng lượng tăng cao, bộ điều khiển dòng/áp suất (Pressure/Flow Controller) sẽ giải phóng khí nén để chạy turbine máy phát phát năng lượng vào lưới Như trên hình vẽ 1.3

Khả năng tích trữ năng lượng của hệ thống nén khí phụ thuộc thể tích bình chứa và

Hệ thống điều khiển dòng/áp suất

Hệ thống nén

Bình chứa

Hình 1 3 Hệ thống tích trữ năng lượng khí nén

1.1.2 Bơm thủy điện (Pumped Hydroelectric Energy Storage - PHES)

Được mô tả như trên hình 1.4 Năng lượng dư được sử dụng để chạy động cơ máy bơm hút nước lên một bể chứa trên cao Nước trên bể chứa này được giải phóng qua

Hệ thống PHES thường vận hành trong 40-60 năm và cho các ứng dụng công suất rất lớn

Turbine Năng lượng dư từ lưới dùng để bơm

1 2

2

Trong đó: J là mô men quán tính của bánh đà, ω là vận tốc góc

Bánh đà được đặt trong một hình trụ rỗng nâng bởi từ trường để giảm tối đa ma sát giữa trục và mặt chân đế Trục bánh đà nối với trục rotor của các máy điện Một máy

Một máy điện hoạt động ở chế độ máy phát điện cho phép động năng của bánh đà chuyển thành điện năng phát lên lưới Như vậy dòng năng lượng chảy theo hai chiều Hai máy điện có thể được tích hợp thành một máy điện duy nhất vừa có thể làm động

cơ vừa làm máy phát Năng lượng dư từ lưới khởi động máy điện dưới dạng động cơ, làm tăng vận tốc góc cho bánh đà quá trình tích lũy năng lượng bắt đầu Khi cần thêm năng lượng cho lưới, máy điện trở thành máy phát điện Bánh đà quay rotor của máy phát, điện năng được đưa trở vào lưới

Khả năng tích trữ năng lượng của FESS phụ thuộc vào khối lượng, hình dạng của bánh đà và vận tốc góc cực đại

Hai loại bánh đà được sử dụng: Một là những hệ thống bánh đà nhỏ quay với tốc độ rất cao trên 50000 rpm; Loại thứ hai có tốc độ nhỏ, bánh đà lớn Tốc độ chỉ đạt khoảng

7000 rpm nhưng đường kính bánh đà có thể đến hàng mét

FESS sử dụng trong các ứng dụng cho nguồn năng lượng mới thường kết hợp với các hệ thống tích lũy năng lượng khác như micro CAES hay các hệ thống tích lũy năng lượng nhiệt (Thermal Energy Storage Systems)

Hình 1.5 biểu diễn FESS với động cơ và máy phát riêng biệt Còn hình vẽ 1.6 mô tả FESS ghép nối với lưới Khi năng lượng dư được dùng chạy động cơ làm quay bánh

đà Còn khi phát, động năng bánh đà sẽ làm rotor máy phát điện chạy đưa năng lượng qua mạch chỉnh lưu, nghịch lưu lên lưới

Hình 1 5 Hệ thống tích trữ năng lượng bành đà

Bánh đà

VSD

Hình 1 6 Hệ thống FESS ghép nối với lưới

1.1.4 Hệ thống tích trữ từ trường cuộn dây siêu dẫn (Superconducting Magnetic Energy Storage - SMES)

Năng lượng được tích lũy trong từ trường của cuộn dây siêu dẫn, đặt ở nhiệt độ rất thấp Ở nhiệt độ này điện trở của cuộn dây bằng không vì thế nếu có dòng điện chạy trong cuộn dây thì nó sẽ duy trì mãi và mất mát năng lượng là rất nhỏ (chỉ là mất mát

do từ trường, điện trường) Dòng điện trong cuộn dây siêu dẫn là dòng điện một chiều, năng lượng tích lũy được xác định:

Hiệu suất của SMES rất cao từ 95% đến 98%, thời gian đáp ứng cực nhanh cỡ mili giây

Nhược điểm của SMES là mật độ năng lượng thấp và cần hệ thống làm lạnh ở nhiệt

độ rất thấp nên cho các ứng dụng lớn thường rất phức tạp Vì thế nó thường kết hợp với các hệ thống tích lũy khác để tăng năng lượng và công suất

Hình 1 7 Hệ thống tích trữ năng lượng cuộn dây siêu dẫn ghép nối với lưới xoay chiều

1.1.5 Hệ thống tích trữ năng lượng sử dụng ắc qui (Battery Storage)

Là hệ thống tích trữ năng lượng một chiều sử dụng cho các ứng dụng công suất lớn, vừa và nhỏ Hệ thống cần mạch chỉnh lưu từ xoay chiều sang một chiều khi nạp và mạch nghịch lưu một chiều thành xoay chiều khi xả

Năng lượng tích lũy trong ắc qui là năng lượng điện hóa Mật độ công suất không cao và nạp chậm là những nhược điểm làm cho ứng dụng của ắc qui ngày càng bị hạn chế Nhiệt độ ắc qui thay đổi trong quá trình nạp và xả nên cần phải được điều khiển để bảo đảm tuổi thọ cho ắc qui

Các loại ắc qui được sử dụng ngày nay đó là: Lead Acid, Lithium Ion, Hydrogen Vanadium Redox, Zinc Bromide

1.1.6 Siêu tụ (Supercapacitor hay Ultracapacitor)

1kW-< 1MW

Mật độ công suất

(kW/m 3 )

cao hơn PHES

- 282-424 707 7-247 53

Tuổi thọ (năm) 20-25 40-60 30 30 07 20-30 Hiệu suất > 60% 75-80% 90-95% 95% 60-80% > 95%

Giá thành ($/kWh) - - 40-80 200 25-120 85

Thời gian đáp ứng 12 phút 12 phút 12 phút mili giây giây mili giây

Thuận lợi so sánh với

PHES thì có mật độ công suất và năng lượng lớn hơn

Tuổi thọ lâu

hiệu suất cao, chu

kì sử dụng lớn

hiệu suất rất cao, thời gian đáp ứng nhanh

Mật độ năng lượng lớn

dòng nạp/xả lớn, tuổi thọ cao, mật độ công suất lớn Nhược điểm Không gian

lớn

vấn đề

về sinh thái, cần hai bình chứa, không gian lớn

Dải công suất nhỏ

Nhiệt độ thấp- nhạy với

sự thay đổi nhiệt

độ

Từ trường lớn

Mật độ công suất nhỏ;

Nạp chậm Ảnh hưởng đến môi trường

Mật độ năng lượng nhỏ;

Giá thành cao

Bảng 1 So sánh các hệ thống tích trữ hiện nay

1.2 Siêu tụ - Hệ thống tích lũy năng lượng cho nguồn sức gió

1.2.1 Năng lượng sức gió

• Đặc điểm hệ thống năng lượng sức gió trong dự án:

- Năng lượng sức gió có đặc điểm thăng giáng nhanh, lớn (phụ thuộc vào tốc độ gió

mà tốc độ gió lúc lớn lúc nhỏ, thậm chí có khi ngừng) vì thế làm cho lưới luôn ở trạng thái mất ổn định lớn về công suất BESS phải có khả năng nạp nhanh khi nguồn sức gió mạnh và xả nhanh bù vào khi nguồn sức gió yếu để giữ ổn định hệ thống lưới điện

- Máy phát điện Diesel hoạt động có hiệu suất cao nhất ở giải công suất danh định Nên khi năng lượng sức gió yếu BESS không có khả năng bù cho lưới, máy phát Diesel sẽ khởi động và hoạt động ở giá trị danh định Nếu lúc này năng lượng trong lưới điện bị dư thừa sẽ được nạp trở vào BESS

- Hệ thống hoạt động độc lập với lưới điện quốc gia (không hòa lưới điện)

• Một số dự án năng lượng sức gió: Hình 1.8 biểu diễn tổng công suất năng lượng sức gió trên toàn thế giới từ năm 1996 đến năm 2008 (số liệu từ Hội đồng năng lượng gió toàn cầu - GWEC) Trong đó quốc gia có công suất năng lượng sức gió lớn nhất là

Mỹ với 25.170 MW (chiếm 20,8% toàn thế giới) Việt Nam cũng đã khởi đầu với các nhà máy phong điện ở Bình Thuận đang có những bước tiến trong sản xuất phong điện Phong điện đang được phát triển mạnh mẽ trên thế giới với tốc độ tăng trưởng hàng năm gần 30%

Hình 1 8 Tổng công suất năng lượng gió trên thế giới qua các năm

Bảng 2 Phát triển năng lượng gió ở châu Á từ năm 2007 đến năm 2008 (MW)

- Các trang trại năng lượng sức gió tại bang Texas (Mỹ) có tổng công suất lên tới 9.727 MW với hơn 40 dự án khác nhau Là khu vực tạo ra năng lượng sức gió lớn nhất của Hoa Kỳ Với nhiều các nhà máy phong điện lớn (wind farms) như: Roscoe (781 MW), Horse Hollow (735 MW), Sweetwater (585 MW)

- Nhà máy phong điện ở Tuy Phong, Bình Thuận có tổng công suất lên tới 120 MW

đã phát điện vào lưới điện quốc gia giai đoạn I Và dự kiến hoàn thành vào năm 2012

1.2.2 Siêu tụ (Super/Ultra Capacitor)

Siêu tụ là thiết bị có mật độ công suất và mật độ năng lượng lớn, hiệu suất cao và

có tuổi thọ lâu Thường được dùng ở các thiết bị tích trữ năng lượng Cũng giống như

tụ thông thường siêu tụ có đặc điểm xả và nạp đều rất nhanh

Năm 1957 các kỹ sư General Electric đã tình cờ phát hiện ra các thiết bị có dung lượng cao khi sử dụng các bon xốp làm điện cực Lúc đó họ không giải thích được cơ chế hoạt động của nó Tuy nhiên General Electric đã không phát triển theo hướng này Năm 1966 các nghiên cứu tại Standard của Ohio đã tình cờ phát hiện ra siêu tụ khi họ đang làm việc thiết kế phát triển pin nhiên liệu (fuel cell) Họ sử dụng hai lớp than hoạt tính được ngăn cách bởi một lớp các bon xốp mỏng, thiết kế này về cơ khí cơ bản vẫn

là cơ sở của hầu hết tụ điện hai lớp Tuy nhiên Standard Oil cũng thất bại trong việc thương mại hóa phát minh này, sau đó đã chuyển giao bản quyền cho NEC - Công ty này đã chế tạo thành công siêu tụ vào năm 1978 để cung cấp điện dự phòng cho bộ nhớ máy tính Từ năm 1990 với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ vật liệu siêu tụ ngày càng được chế tạo cải thiện hiệu suất, mật độ công suất, năng lượng và giảm về giá thành Đến năm 2005 thị trường siêu tụ đã có doanh thu lên tới 400 triệu USD

• Cấu tạo tụ điện hai lớp (Double Layers Capacitor): Cấu tạo từ hai bản cực, một mặt phân cách chia lớp điện môi ở giữa làm hai nên nó được gọi làm tụ điện hai lớp như trên hình 1.8 Hai bản cực (Terminal) được làm từ các bon hoạt tính, có cấu trúc gồm nhiều lỗ trống tạo nên diện tích mặt tiếp xúc lớn Lớp phân cách (Separator) giữa hai bản cực cho phép chuyển động qua lại dễ dàng của các ion - các ion này tạo ra từ dung dịch điện phân (Liquid Electrolyte) nhưng vẫn tạo nên vùng phân cách về điện

Hình 1 9 Cấu tạo tụ hai lớp

Điện dung của tụ hai lớp được xác định như sau:

- Phóng nhanh, nạp nhanh: một tụ điện luôn có đặc điểm là phóng nhanh, nạp nhanh (tuy nhiên tụ thường thì có điện dung quá nhỏ), siêu tụ cũng được thừa hưởng đặc điểm này Điều này rất phù hợp với nguồn sức gió thăng giáng nhanh, mạnh và liên tục Khi lưới có dao động điện áp, tần số mạnh, BESS sử dụng DLC sẽ nhanh chóng giải phóng năng lượng bù vào lưới hoặc nạp lấy năng lượng dư thừa để bảo đảm ổn định lưới điện

- Điện trở trong nhỏ

- Hiệu suất cao: trên 95%

- Tuổi thọ dài: 20 - 30 năm hoặc tới hàng trăm nghìn chu kì nạp/xả

Tuy nhiên cũng có nhược điểm:

- Mật độ năng lượng thấp: cỡ 5 Wh/kg chỉ bằng 1/20 so với ắc qui

- Giá thành cao: 20 USD/Wh gấp 10 lần so với Ắc qui loại Lithium-ion

Trong tương lai với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ đặc biệt là công nghệ nano hai nhược điểm trên sẽ được khắc phục dần

• Mô hình tụ hai lớp( hay còn gọi là siêu tụ) DLC:

Theo [1] mô hình tụ hai lớp được mô tả ở hình 1.9

Hình 1 10 Mô hình tụ hai lớp

Tham số đặc trưng cho khả năng tích trữ năng lượng là điện dung C Giá trị này không phải là hằng số mà phụ thuộc vào điện áp đặt lên hai bản cực của tụ điện Bao gồm một điện dung không đổi C0 mắc song song với điện dung Cu phụ thuộc tuyến tính

m *100

M

U d U

Thường thì giá trị d được lựa chọn là 50% tương ứng với năng lượng được sử dụng

là Emax = 75% EM Để được năng lượng E số phần tử siêu tụ cần sử dụng là:

2 1 100

Mỗi phần tử siêu tụ thường có điện dung từ vài F đến vài trăm F và có điện áp cỡ vài V nên chúng thường được tổ hợp lại thành các module có điện dung hàng nghìn F

và điện áp tới hàng trăm V phục vụ trong công nghiệp Ví dụ như Phần tử siêu tụ PC

10 của hãng Maxwell có điện dung là 10F và điện áp danh định là 2,5 V Còn được tích hợp thành các Module như : BMO 0063 P125 thì có điện dung tới 63F và điện áp danh định đạt 125V

Hình 1 11 Ghép nối các phần tử siêu tụ để thành modul

• Cách mắc các tụ song song và nối tiếp phải đảm bảo sự cân bằng về điện áp (điện

áp rơi trên mỗi phần tử siêu tụ là bằng nhau) để tránh cho sự quá áp trên một số phần

tử nào đó có thể làm hư hỏng tụ Cách mắc:

Hình 1 12 Cách ghép nối nối tiếp và song song các tụ

1.3 Nguyên lý BESS cho nguồn sức gió sử dụng DLC

Hệ thống điện phân ra hai loại như sau:

- Lưới điện là hệ thống điện xoay chiều ba pha với tần số 50Hz: Biểu diễn trên hình 1.13 Máy phát điện đồng bộ Diesel, máy phát điện sức gió đều hoạt động ở tần số 50Hz và được hòa trực tiếp vào lưới điện(có thể qua máy biến áp) Phần tử tích trữ năng lượng được ghép nối với mạch DC Bus một chiều trung gian qua bộ tăng/giảm DC-DC converter Điện áp một chiều trung gian DC Bus qua mạch chỉnh lưu / nghịch lưu được hòa vào lưới điện xoay chiều Dự án sử dụng cho hệ thống lưới điện xoay chiều ba pha

- Lưới điện là hệ thống điện một chiều: Trên hình 1.14 mô tả hệ thống điện một chiều gồm: Máy phát điện Diesel, máy phát điện sức gió qua bộ chỉnh lưu AC-DC đưa điện áp một chiều(DC) vào lưới Hệ thống tích trữ năng lượng được hòa vào lưới điện

Hình 1 13 Lưới điện là hệ thống xoay chiều 3 pha được sử dụng trong dự án

Nguyên lý: Hệ thống tích trữ năng lượng (BESS) là hệ thống có thể hoạt động hai chiều: nạp năng lượng từ lưới để tích trữ và xả năng lượng đang tích trữ vào lưới Ba chế độ hoạt động của BESS:

- Chế độ bình thường: Công suất tải yêu cầu cân bằng với công suất nguồn, BESS không làm việc(không nạp, không xả)

- Chế độ xả: Tải yêu cầu công suất lớn hơn nguồn cung cấp (năng lượng trong lưới điện bị thiếu) BESS sẽ xả năng lượng được tích lũy trong nó bù vào lưới

- Chế độ nạp: Nguồn cấp công suất nhỏ hơn tải yêu cầu(năng lượng trong lưới điện

bị dư thừa): BESS sẽ nạp năng lượng lấy từ lưới để tích lũy trong nó

Như vậy BESS làm cân bằng và ổn định hệ thống lưới điện

• Các chế độ làm việc của BESS cho nguồn sức gió:

- Chế độ bình thường: Năng lượng sức gió cân bằng năng lượng tải tiêu thụ, BESS không làm việc

- Chế độ xả: Năng lượng sức gió cấp thiếu cho tải(có thể do nguồn sức gió giảm hoặc

do tải tăng): hệ thống BESS sẽ xả năng lượng được tích trữ bù phần năng lượng bị hụt

- Chế độ nạp: Năng lượng sức gió lớn vượt khả năng tiêu thụ của tải(có thể do nguồn sức gió tăng hoặc do tải giảm) thì phần dư năng lượng được nạp trở vào BESS

- Chế độ máy phát Diesel: Khi năng lượng sức gió nhỏ, hệ thống BESS có thể không

có khả năng bù đủ Sẽ khởi động máy phát điện chạy Diesel phát năng lượng vào lưới

• Các thành phần hệ thống năng lượng sức gió

- Máy phát điện sức gió: được tổ hợp của nhiều turbine thành phần có tổng công suất danh định là 7,5 MW Ví dụ sử dụng turbine model H9.0-2000W của hãng Hummer có công suất danh định là 20kW thì để có được hệ thống phát điện sức gió công suất 7,5MW ta phải sử dụng 375 turbine trên.(việc sử dụng các turbine thành phần có công suất bao nhiêu phải căn cứ vào thực tế về tốc độ gió Theo [6] thì giải tốc độ gió để turbine phát điện là từ 3 m/s đến 26m/s)

- Máy phát điện chạy Diesel: Công suất định mức 7,5MW được dùng dự phòng khi khả năng bù của BESS bị hạn chế Máy phát Diesel có thể được điều khiển nhưng thường hoạt động ở chế độ danh định vì nó sẽ đạt hiệu suất cao nhất ở dải danh định Hoạt động của máy phát điện Diesel phụ thuộc vào chế độ làm việc của BESS và điện

áp trên phần tử tích lũy năng lượng Như sau:

∗ Máy phát Diesel khởi động khi BESS đang phát công suất vào lưới và điện áp trên DLC nhỏ hơn 70% điện áp DLC max

∗ Máy phát Diesel ngừng khi hoặc BESS đang nhận công suất từ lưới hoặc điện áp DLC lớn hơn hoặc bằng điện áp DLC max

Một thực tế rằng năng lượng sức gió thăng giáng ở giải rộng nên người ta vẫn tìm cách điều khiển công suất máy phát điện Diesel để đảm bảo lưới điện được ổn định ở chế độ thô

- BESS hệ thống tích trữ năng lượng: được biểu diễn như trên hình 1.15

Hình 1 15 Hệ thống tích trữ năng lượng ghép nối với lưới xoay chiều ba pha

- Gồm các thành phần:

∗ Máy biến áp Y−∆ và hệ thống các bộ lọc: Các thành phần sóng hài gây ra bởi mạch chỉnh lưu/nghịch lưu MBA Y−∆ giúp lọc các thành phần sóng hài bậc chẵn, các bộ lọc có tác dụng lọc đối với các sóng hài bậc lẻ

∗ Mạch chỉnh lưu/ nghịch lưu:

o Mạch chỉnh lưu: Biến đổi năng lượng xoay chiều 3 pha từ lưới (qua máy biến áp) thành một chiều trên DC Bus, để nạp năng lượng vào phần tử tích lũy Mạch chỉnh lưu thường sử dụng mạch chỉnh lưu diod cầu 3 pha

o Mạch nghịch lưu: Biến đổi năng lượng từ một chiều (trên DC Bus) sang xoay chiều

3 pha tần số 50Hz cấp lên lưới Mạch nghịch lưu sử dụng van bán dẫn IGBT mắc theo

sơ đồ cầu 3 pha

Mạch nghịch lưu cung cấp cho tải điện áp pha - đất có biên độ là 2 * 220 = 310V Vì thế mạch nghịch lưu cần được cung cấp điện áp một chiều Vdc = 310* 3 = 540V Trong khi đó thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ có giải điện áp từ 200 - 400V nên khi xả mạch biến đổi DC/DC luôn làm việc ở chế độ tăng áp (Boost), còn khi nạp mạch biến đổi DC/DC sẽ làm việc ở chế độ giảm áp (Buck)

Mạch chỉnh lưu/ nghịch lưu có thể được tích hợp sử dụng các diod và van IGBT mắc thành các cặp song song ngược chiều như hình 1.15 (phía bên phải hình vẽ) Khi năng lượng trên lưới dư thừa mạch chỉnh lưu/nghịch lưu sẽ chỉnh lưu đưa năng lượng qua các diod vào DC Bus Còn khi lưới bị thiếu công suất các van IGBT hoạt động để biến năng lượng một chiều từ DC Bus thành năng lượng xoay chiều ba pha đưa lên lưới

∗ DC Bus: có điện dung C, điện áp Vdc được điều khiển giữ nhờ bộ biến đổi tăng/ giảm áp một chiều

∗ Bộ biến đổi tăng/giảm áp một chiều (DC-DC Buck/Boost converter): Hoạt động cả hai chiều:

o Tăng áp (Chế độ Boost): tăng điện áp một chiều từ phần tử tích lũy năng lượng vào

DC Bus Đây là chế độ giải phóng năng lượng từ phần tử tích lũy bù vào lưới

o Giảm áp (Chế độ Buck): giảm điện áp một chiều từ DC Bus vào phần tử tích lũy năng lượng Đây là chế độ nạp năng lượng dư thừa từ lưới vào phần tử tích lũy

Chương 2 Mô hình toán học của bộ DC-DC tăng/giảm

-Hình 2 1 Mạch biến đổi tăng/giảm áp một chiều

Theo [3], [8], [14] cấu trúc mạch Buck-Boost được mô tả trên hình 2.1 Trong hình 2.1 DC Bus có: tụ điện dung C, điện trở R mắc song song với tụ đặc trưng cho năng lượng tiêu thụ của tải bao gồm: năng lượng tự phóng của tụ, năng lượng mất mát trên mạch chỉnh lưu/ nghịch lưu và năng lượng qua mạch nghịch lưu đưa vào lưới xoay chiều Mạch biến đổi tăng/giảm áp một chiều sử dụng 2 van bán dẫn thường là IGBT hay MOSFET và 2 diod mắc từng cặp ngược nhau (để khi van này dẫn nó sẽ tự khóa diod mắc cùng cặp với nó)

Mô hình toán học mạch tăng/giảm áp có thể được tham khảo [20]

2.1.1 Mô hình toán học ở chế độ tăng áp một chiều (Boost):

Hình 2.2 biểu diễn mạch tương đương ở chế độ tăng áp một chiều (Boost)

Chế độ tăng áp: nâng điện áp một chiều đưa năng lượng từ phần tử tích lũy DLC vào mạch một chiều trung gian DC Bus Chế độ này van T1 và diod D2 làm việc Khi van T1 dẫn diod D2 tự khóa, và khi van T1 khóa thì diod D2 tự dẫn

Khi van T1 dẫn điện áp rơi lên AB gần bằng không trong khi điện áp DC Bus vẫn còn nên lúc này điện áp đặt trên C sẽ lớn hơn điện áp tại A và sẽ khóa diod D2 (điện áp Katot lớn hơn điện áp Anot) Khi van T1 khóa dòng điện trên cuộn dây sẽ gây nên điện

áp tại A đủ lớn (lớn hơn điện áp tại C) để mở diod D2 (điện áp Anot lớn hơn điện áp Katot)

Trong đó: E là điện áp trên đầu vào, i dòng điện chạy qua cuộn dây, Vdc là điện áp trên

DC Bus, iC, iR lần lượt là dòng điện qua điện dung C và điện trở R của mạch DC Bus

Hình 2 2 Chế độ Boost

- Van T1 dẫn, diod D2 tự khóa, tương ứng với Uo = 1: Mạch tương đương biểu diễn trên hình 2.3

Hình 2 3 Mạch tương đương ở chế độ Boost khi van T1 dẫn, u o = 1

Mạch biểu diễn thành 2 mạch độc lập với nhau

Hình 2 4 Mạch tương đương ở chế độ Boost khi diod D2 dẫn, u o = 0

Áp dụng định luật Kirchhoff cho dòng điện và điện áp:

Điện áp rơi trên cuộn dây:

Định nghĩa: o 1

T u T

(2.8) 1

(1 )

dc o

Từ các phương trình trong không gian trạng thái (2.8) ta có: