Công nghệ điều khiển nối lưới cho lưới điện siêu nhỏ

LÊ KIM ANH
Trường Cao đẳng Công nghiệp Tuy Hòa

1. Đặt vấn đề

Ngày nay, ngành công nghiệp điện đang có những bước tiến đột phá và phát triển đồng bộ từ các khâu: sản xuất, truyền tải và phân phối, cũng như đưa ra các phương thức vận hành và sử dụng điện sao cho hiệu quả, tiết kiệm. Đặc biệt với hiệu ứng nóng lên của trái đất, sự cạn kiệt của các nguồn năng lượng hóa thạch, sự bùng nổ tăng trưởng của các nước đang phát triển. Bên cạnh đó dân số ngày càng tăng, ước tính đến năm 2050 khoảng 9.5 tỷ người, nhiệt độ trung bình của trái đất có thể tăng lên 600C. Điều này dẫn đến yêu cầu bức thiết phải có những phương thức mới trong việc cung cấp và sử dụng nguồn năng lượng sao cho giảm thiểu sự phát thải khí CO2.   

Để có thể đạt được các mục tiêu trên, chúng ta phải xây dựng một hệ thống điện và phương thức vận hành, cũng như trong kinh doanh có khả năng cho phép chỉ ra những nhà máy điện phải nâng cao hiệu suất, các loại nguồn năng lượng mới được khuyến khích phát triển như năng lượng mặt trời, gió, khí sinh học.v.v..ở những địa điểm thích hợp. Hệ thống mà chúng ta đang đề cập và phân tích đến là xây dựng mô hình và công nghệ điều khiển nối lưới cho lưới điện siêu nhỏ với các nguồn phát điện phân tán (DG), đây cũng là một phần trong mục tiêu phát triển hệ thống điều khiển lưới điện thông minh (Smart Grid). Hiện nay, ở một số quốc gia phát triển như: Đức, Hoa Kỳ, Singapore..v.v đã triển khai và vận hành lưới điện siêu nhỏ với các nguồn phát điện phân tán.

2. Công nghệ điều khiển nối lưới cho các lưới điện siêu nhỏ

2.1. Khái niệm về lưới điện siêu nhỏ

Lưới điện siêu nhỏ (Microgrid - MG) là một hệ thống bao gồm các nguồn năng lượng có công suất nhỏ và phát điện phân tán (Distributed Energy Resources – DER) như: nguồn pin mặt trời, pin nhiên liệu, turbine gió, microturbine..vv. Ngoài ra còn có các hệ thống đo lường và các phụ tải. Công nghệ điều khiển cho lưới điện siêu nhỏ có thể hoạt động độc lập hoặc tích hợp chúng vào lưới điện phân phối, thông qua hệ thống điều khiển và giám sát như hình 1 và hình 2, nhằm hướng đến phát triển lưới điện thông minh và điều khiển nối lưới linh hoạt.

2.2. Mô hình pin mặt trời kết hợp nguồn ắc quy

Pin mặt trời (Photovoltaic cell) gồm các lớp bán dẫn chịu tác dụng của quang học để biến đổi các năng lượng phôton bức xạ mặt trời thành năng lượng điện. Hiệu suất của tấm pin mặt trời sẽ lớn nhất khi pin mặt trời cung cấp cho ta công suất cực đại. Công nghệ hiện nay để điều khiển pin mặt trời là sử dụng phương pháp hệ bám điểm công suất cực đại (Maximum Point Power Tracking - MPPT) và đảm bảo rằng pin mặt trời sẽ luôn luôn làm việc ở điểm MPP bất chấp tải được nối vào pin. Mô hình pin mặt trời kết hợp nguồn ắc quy được xây dựng trên matlab/simulink như hình 4. 

2.3. Mô hình pin nhiên liệu

Pin nhiên liệu là một loại thiết bị sử dụng nhiên liệu giàu hydro và oxy để tạo ra điện thông qua các phản ứng điện hóa. Pin nhiên liệu bao gồm 2 cực âm và dương và được bao quanh bởi chất điện phân. Nhiên liệu được đưa đến cực âm và oxy được đưa đến cực dương để tạo các phản ứng. Ở bài báo này pin nhiên liệu được sử dụng là pin nhiên liệu có màng trao đổi proton (Proton Exchange Membrane Fuel Cell - PEMFC) được cung cấp khí hydro trực tiếp từ quá trình điện phân. Mô hình pin nhiên liệu được xây dựng trên matlab/simulink như hình 5. 

2.4. Mô hình turbine gió

Mô hình điều khiển tuarbine gió sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnetic Synchronous Generator - PMSG). Vì tốc độ gió luôn thay đổi theo thời gian, để turbine vận hành tối ưu với vận tốc gió nhất định thì hệ thống rotor phải có chức năng tự điều chỉnh theo sự thay đổi của vận tốc và hướng gió. Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu hoàn toàn đáp ứng được điều này, vì từ thông luôn tồn tại sẵn nhờ hệ thống nam châm vĩnh cửu dán trên bề mặt rotor. Ngoài ra để điều khiển cho turbine gió, ta sử dụng bộ chỉnh lưu (AC/DC) phía máy phát điện PMSG dùng để hòa đồng bộ với lưới và cũng như tách máy phát điện ra khỏi lưới khi cần thiết, nghịch lưu phía lưới (DC/AC) nhằm giữ ổn định điện áp mạch một chiều trung gian (Udc). Mô hình turbine gió được xây dựng trên matlab/simulink như hình 7. 

2.5. Mô hình microturbine

Mô hình microturbine sử dụng turbine khí kết hợp với máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnetic Synchronous Generator - PMSG), tạo ra điện áp xoay chiều (AC). Điện áp AC này qua bộ chỉnh lưu (AC/DC) phía máy phát điện PMSG dùng để hòa đồng bộ với lưới và cũng như tách máy phát điện ra khỏi lưới khi cần thiết, nghịch lưu phía lưới (DC/AC) nhằm giữ ổn định điện áp mạch một chiều trung gian (Udc). Rt, Lt: điện trở và điện cảm của đường dây; θL: góc điện áp lưới; Pmt, Qmt: Công suất tác dụng và công suất phản kháng của microturbine; αđk: góc điều khiển, ω: tốc độ quay máy phát điện..v.v.

3. Kết quả mô phỏng trên matlab/simulink

Theo tiêu chuẩn IEEE 1545, quá trình thử nghiệm điều khiển (CERTS) cho lưới điện siêu nhỏ (microgird) được thực hiện tại Hoa kỳ, kết quả mô phỏng thực nghiệm trên DSP như sau:

4. Kết luận

Công nghệ điều khiển nối lưới cho lưới điện nhỏ với các nguồn phát điện phân tán đã phát huy đối đa công suất phát ra của hệ thống bất chấp tải nối với hệ thống. Nối lưới thông qua các bộ biến đổi AC/DC, DC/DC và DC/AC với ưu điểm như: bộ biến đổi DC/DC tự động điều chỉnh công suất cung cấp cho bộ DC/AC, các bộ biến đổi có khả năng truyền năng lượng theo cả 2 hướng, với góc điều khiển được thay đổi được, dung lượng sóng hài thấp..v.v. Mặt khác sử dụng công nghệ điều khiển nối lưới cho lưới điện siêu nhỏ mang lại hiệu quả cao về tính kinh tế so với điều khiển các nguồn điện độc lập. Công nghệ điều khiển lưới điện siêu nhỏ nhằm hướng đến việc phát triển lưới điện thông minh và điều khiển nối lưới linh hoạt cho các nguồn năng lượng tái tạo.  

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Lê Kim Anh, Võ Như Tiến, Đặng Ngọc Huy, Mô hình điều khiển nối lưới cho nguồn điện mặt trời, Tạp chí khoa học và công nghệ, Đại Học Đà Nẵng, số (11), 2012.

[2] Đặng Ngọc Huy, Lê Kim Anh, Nghiên cứu mô hình turbine gió sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu, Tạp san khoa học và công nghệ, Đại Học Công Nghiệp Quảng Ninh, 2012.

[3] Lê Kim Anh, Xây dựng mô hình điều khiển nối lưới sử dụng nguồn pin nhiên liệu, Tạp chí khoa học và công nghệ, Đại Học Công nghiệp Hà Nội, số (12), 2012.

[4] Lê Kim Anh, Võ Như Tiến, Xin Ai, Điều khiển các nguồn phân tán theo mô hình nhà máy điện ảo, Tạp chí khoa học và công nghệ, Đại Học Đà Nẵng, số (3), 2013.

[5] Noroozian R, Abedi M, Gharehpetian G. B, Hosseini S. H, Modelling and Simulation of Microturbine Generation System for on-grid and off - grid Operation Modes, Valencia (Spain), 15th to 17th April, 2009.

NangluongVietnam.vn