Cải thiện chất lượng nguồn điện mặt trời trong vi lưới

Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 61, 6 - 2019 19 CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG NGUỒN ĐIỆN MẶT TRỜI TRONG VI LƯỚI Lại Khắc Lãi1*, Lại Thị Thanh Hoa1, Roãn Văn Hóa2, Trần Ngọc Sơn2 Tóm tắt: Hệ thống bánh đà lưu trữ năng lượng (FESS) là một công nghệ lưu trữ mới và có nhiều ưu điểm so với các phương pháp lưu trữ năng lượng truyền thống. Trong bài báo này chúng tôi trình bày một giải pháp tích hợp FESS với hệ thống điện mặt trời làm việc trong vi lưới nhằm cải thiện chất lượng nguồn điện mặt trời cung cấp cho lưới. Kết quả mô hình hóa và mô phỏng trên phần mềm Matlab - Simulink đã cho thấy hệ thống điện mặt trời tích hợp FESS có khả năng khắc phục sự biến động năng lượng của điện mặt trời và cung cấp một năng lượng ít biến động cho lưới. Keywords: Bánh đà lưu trữ năng lượng; Điện mặt trời; Vi lưới; FESS. 1. MỞ ĐẦU Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng sạch và vô tận mà thiên nhiên ban tặng cho con người. Từ xa xưa con người đã biết tận dụng nguồn năng lượng này phục vụ cho mình từ bếp đun dùng năng lượng mặt trời, bình nước nóng năng lượng mặt trời, đến nay đã có những nhà máy điện mặt trời với quy mô vừa và lớn nối điện lưới quốc gia hoặc các tòa nhà sử dụng điện mặt trời ở quy mô hộ gia đình. Năng lượng mặt trời với những ưu điểm vượt trội như trữ lượng vô hạn, không làm biến đổi khí hậu và không gây ảnh hưởng tác động xấu đến môi trường nên đang thu hút sự chú ý của nhiều quốc gia trên thế giới. Hiện nay, nhiều nước trên thế giới đã có những bước đi cụ thể để thay thế dần những nguồn năng lượng hóa thạch truyền thống bằng nguồn năng lượng tái tạo trong đó lượng mặt trời là một lựa chọn thích hợp. Hướng đi chủ yếu khai thác sử dụng năng lượng tái tạo là biến chúng thành điện năng hòa vào lưới điện quốc gia hoặc hòa với nhau tạo thành lưới điện cục bộ (vi lưới) [1], [2]. Mặc dầu có nhiều ưu điểm, song điện mặt trời có nhược điểm là liên tục biến động theo cường độ bức xạ mặt trời, theo ngày, đêm và theo mùa [3], do đó ảnh hưởng đến chất lượng của lưới điện và tính liên tục cung cấp điện. Đặc biệt đối với vi lưới, sự biến động bất thường này có thể dẫn đến lỗi lưới hoặc sập lưới. Để khắc phục nhược điểm này cần phải có hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS) để duy trì sự cân bằng giữa cung và cầu năng lượng điện. Quá trình này bao gồm việc chuyển đổi và lưu trữ năng lượng điện từ từ một nguồn có sẵn thành một dạng năng lượng khác và chúng có thể chuyển đổi thành điện năng khi cần thiết. Các hình thức chuyển đổi năng lượng lưu trữ có thể là hóa học cơ học, nhiệt hoặc từ tính. Bộ lưu trữ cho phép xuất điện khi cần thiết và lưu trữ khi sản xuất vượt quá nhu cầu. Lưu trữ có thể vào thời điểm nhu cầu thấp, chi phí sản xuất thấp hoặc khi các nguồn năng lượng có sẵn không liên tục. Đồng thời, năng lượng lưu trữ có thể được tiêu thụ tại các thời điểm có nhu cầu cao, chi phí sản xuất cao hoặc khi không có nguồn phát khả dụng. Một công nghệ lưu trữ năng lượng đang thu hút sự quan tâm rất lớn là bánh đà lưu trữ năng lượng (FESS) [4], [5], [6]. Công nghệ lưu trữ này có nhiều lợi thế so với các giải pháp lưu trữ khác như vòng đời cao, mật độ lưu trữ năng lượng lớn, có thể lưu trữ lượng năng lượng không giới hạn, chi phí vận hành thấp. Song chúng có nhược điểm là thời gian xả khá ngắn. Chúng được áp dụng hiệu quả cho việc làm mịn công suất các hệ thống điện sử dụng năng lượng tái tạo làm việc độc lập hoặc làm việc trong vi lưới. Trong bài báo này chúng tôi đề xuất một hệ thống điện mặt trời có tích hợp bánh đà lưu trữ năng lượng (hình 1). Một máy điện cảm ứng được tích hợp trong bánh đà có thể làm Kỹ thuật điều khiển & Điện tử L. K. Lãi, , T. N. Sơn, “Cải thiện chất lượng nguồn điện mặt trời trong vi lưới.” 20 việc ở chế độ máy phát hoặc chế độ động cơ để biến đổi năng lượng từ cơ năng sang điện năng và ngược lại nhằm ồn định công suất của hệ thống điện mặt trời tích hợp FESS cung cấp cho vi lưới. Phần tiếp theo của bài báo trình bày nguyên tắc hoạt động của FESS, xây dựng cấu trúc hệ thống điều khiển và mô phỏng hoạt động nạp - xả của hệ thống bánh đà lưu trữ năng lượng. 2. HOẠT ĐỘNG CỦA FESS TRONG VI LƯỚI Xét hệ thống điện mặt trời nối lưới có tích hợp bánh đà lưu trữ năng lượng có sơ đồ khối được mô tả trên hình 1 [4]. Bánh đà tích trữ năng lượng trong một khối quay bằng vật liệu composite đặt trong một hình trụ rỗng nâng bởi từ trường để giảm tối đa ma sát giữa trục và mặt chân đế. Trục của bánh đà nối với trục roto của máy điện, máy điện được thiết kế để vận hành ở tốc độ cao và giảm tối thiểu ma sát, chúng có thể hoạt động ở chế độ động cơ hoặc ở chế độ máy phát điện. Nguyên tắc hoạt động của FESS có thể được tóm tắt như sau: Trong điều kiện làm việc bình thường máy điện trong bánh đà làm việc ở chế độ động cơ, bánh đà thực hiện việc lưu trữ năng lượng dưới dạng động năng. Mặt khác, khi có một dao động bất thường ở nguồn hoặc tải máy điện trong bánh đà hoạt động như một máy phát điện cung cấp thêm năng lượng cần thiết để giữ ổn định hệ thống. Trong quá trình xả năng lượng tốc độ của bánh đà giảm dần dẫn đến tần số điện áp liên tục thay đổi. Để duy trì tần số điện áp do máy phát của bánh đà phát ra ta cần sử dụng một bộ biến đổi điện tử công suất làm việc ở chế độ chỉnh lưu để biến điện năng có tần số thay đổi thành điện năng một chiều và một bộ biến đổi điện tử công suất làm việc ở chế độ nghịch lưu để biến đổi năng lượng điện một chiều thành điện áp xoay chiều hình sin kết nối với lưới điện. Để phân tích hoạt động và từ đó thấy được tác dụng của bánh đà lưu trữ năng lượng đối với hệ thống như ở hình 1, ta giả giả thiết đặt ppv là công suất từ nguồn điện mặt trời cung cấp cho lưới, công suất này thường thay đổi liên tục theo điều kiện môi trường [2]; pf là công suất của hệ thống của hệ thống bánh đà; pg là công suất bơm vào lưới, để lưới điện làm việc ổn đinh thì công suất này cần được giữ cố định (pg = const). Ta có: pf = pg - ppv (1) Đường cong các loại công suất được chỉ ra trên hình 2. Từ biểu thức (1) và hình 2 ta thấy rằng công suất của FESS biến động theo sự biến động của công suất của nguồn năng lượng tái tạo. FESS sẽ thực hiện nạp năng lượng khi pf > 0 và xả năng lượng để bổ sung năng lượng cho hệ thống khi pf < 0. Đường cong pf được sử dụng như một đại lương tham chiếu để điều khiển hoạt động của FESS. Hình1. Hệ thống PV nối lưới có tích hợp FESS. Hình 2. Các đường cong công suất. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 61, 6 - 2019 21 3. ĐIỀU KHIỂN HOẠT ĐỘNG CỦA BÁNH ĐÀ LƯU TRỮ NĂNG LƯỢNG 3.1. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển Từ hình1 bài toán điều khiển đặt ra ở đây là điều khiển hoạt động của bánh đà sao cho khi có sự biến động của năng lượng mặt trời thì tổng công suất do hệ thống điện mặt trời và hệ thống bánh đà bơm vào lưới là ít biến động nhất, nghĩa là cần duy trì: pv gfp p p const   (2) Sơ đồ cấu trúc điều khiển hoạt động của FESS được chỉ ra trên hình 3. Ở đây bộ chuyển đổi (Converter) là bộ chuyển đổi hai chiều. Gócđược tính theo [1] m r q r r r L R i p dt L           Hình 3. Sơ đồ điều khiển FESS. Mối quan hệ giữa công suất và năng lượng lưu trữ trong bánh đà được xác định bởi: F F dE P dt  (3) Với PF (W) là công suất tối đa có thể cấp bởi hệ thống lưu giữ (bằng công suất danh định máy điện không đồng bộ tích hợp trong bánh đà); EF là năng lượng được cất giữ, đơn vị (J). Từ đó, ta có mối quan hệ giữa năng lượng, mô men quán tính và tốc độ quay của bánh đà là: 2 F F F dE d1 J dt 2 dt   (4) ωF (rad/s) là tốc độ góc của bánh đà; JF [kg.m 2] là mô men quán tính của bánh đà, ta có: 2 F F F d1 P J 2 dt   (5) Viết dưới dạng sai phân ta có: 2 F F F 1 P J 2 t    2 F F F 1 P t J 2    (6) F F F 2 2 2 F Fmax Fmin 2P t 2P t J        (7) Trong đó, ωFmax và ωFmin là tốc độ quay cực đại và cực tiểu của bánh đà (đơn vị rad/s). Các phương trình trạng thái của của máy điện không đồng bộ 3 pha trong hệ tham chiếu (dq) được mô tả bởi (8): Kỹ thuật điều khiển & Điện tử L. K. Lãi, , T. N. Sơn, “Cải thiện chất lượng nguồn điện mặt trời trong vi lưới.” 22     r r s F r r dr drr r s F qr qrr r srr Fds ds ss2 s r s r sqs qs s srF r s2 s r s r s R MR p 0 L L 0 0 R MR 0p 0 0L Ld 1 0RMR Mpi idt L 1L L L L Li i 0 LRMp MR L L L L L                                                                     ds qs u u         (8) Với: 2 sr s r2 r M R R R L   và 2 s r M 1 L L    Trong đó: Rs, Rr là điện trở pha stator và rotor; Ls, Lr là điện cảm pha stator và rotor; M là hỗ cảm; uds, uqs là các thành phần vuông góc của điện áp stator; ids, iqs là các thành phần vuông góc của dòng điện stator; Φdr, Φqr là các thành phần vuông góc của từ thông rotor; p là số đôi cực; ωs là tốc độ quay của từ trường stator. Việc điều khiển động máy điện trong hệ thống FESS được thực hiện theo phương pháp điều chế véc tơ không gian tựa từ thông rotor (VSM). Với giả thiết: dr qr; 0     (9) Hệ phương trình trạng thái (8) trở thành: r r r r dr dr dsr sr ds s ds2 qsss r s qs qs sF sr s s r s R MR 0 0 0L L u1 0d MR R i i uL 1dt L L L i i L0Mp R L L L                                                       (10) Từ thông tham chiếu được xác định theo biểu thức: rn f fn f ref fn rn f fn f khi khi               (11) r rn sn L M    (12) rn là từ thông định mức của rotor (Web); sn là từ thông định mức của stator (Web) s sn s u 3   (13) Với us là trị hiệu dụng của điện áp pha stator; ωs tốc độ góc điện áp lưới có giá trị bằng 314,16 rad/s, ta có: sr rn s uL 3 M    (14) Dòng điện stator tham chiếu được xác định:  ds ref r ref r esti = PI     (15) Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 61, 6 - 2019 23 PI là quy luật điều chỉnh tỉ lệ tích phân. Giá trị ước lượng của từ thông rotor là: dr est ds r r M = i L 1 s R   (s là toán tử laplace) (16) Công suất đặt (tham chiếu) của máy điện không đồng bộ được xác định theo công thức (1). Từ đó có thể tính được mô men điện từ tham chiếu: f ref r ref f P M =   (17) Ta định nghĩa các điện áp điều chế bởi bộ biến đổi trong hệ tham chiếu (dq) và áp dụng cho stator máy điện không đồng bộ bởi công thức sau: d regds qs q reg uu U = u u2              (18) Với ud-reg và uq-reg là điện áp điều chỉnh trong hệ quy chiếu (dq). Dòng điện điều chế bộ biến đổi được xác định theo biểu thức (19) ds m mac d reg q reg qs i1 i = u u i2             (19) Việc điều khiển bộ biến đổi được rút ra từ phương trình (19) d reg ds ref q reg qs ref 2 2 u v ; u v U U      (20) Biết rằng:     r F sd ref d ref r ref s qs ref sq ref q ref r ref s ds ref2 r r r F d ds dr s qs q qs dr s ds2 r r qs rr d ref ds ref ds q ref qs ref qs F r MR Mp u E L i ; u E L i L L MR Mp E u L i ; E u L i L L iMR E PI ' i i ; E PI ' i i ; p + . L                                               ef r ref  3.2. Kết quả mô phỏng Để minh họa hoạt động của hệ thống FESS trong việc bù đắp sự thiếu hụt bất thường năng lượng của vi lưới gây ra do sự biến đổi đột ngột của công suất điện mặt trời, ta tiến hành mô phỏng hệ thống trong Matlab-Simulink với kịch bản và các thông số như sau: Giả thiết rằng khi có sự biến động công suất điện mặt trời, hệ thống FESS cần bơm vào vi lưới một công suất 40kW Pf = Pg - Ppv = 40kW (21) Ở trạng thái làm việc bình thường công suất pin quang điện cung cấp cho lưới đủ để duy trì trạng thái làm việc ổn định của vi lưới là Ppv = Pg. Khi đó, máy điện tích hợp trong bánh đà làm việc ở chế độ động cơ và chúng tích trữ năng lượng 40kW trong thời gian 5 giây sau đó chúng sẽ xả năng lượng trong 5 giây tiếp theo để bù vào sự thiếu hụt năng lượng đó. Các thông số mô phỏng như sau: Kỹ thuật điều khiển & Điện tử L. K. Lãi, , T. N. Sơn, “Cải thiện chất lượng nguồn điện mặt trời trong vi lưới.” 24 - Mô men quán tính bánh đà: Jf = 150kgm 2 - Máy điện không đồng bộ tích hợp trong bánh đà có công suất 40kW; Số đôi cực: p = 2; Điện trở stator: Rs = 0,05Ω; Điện trở rotor: Rr = 0,043Ω; Điện cảm stator: Ls = 40,7.10 - 3H; Điện cảm rotor: Lr = 40,1.10 -3H; Hỗ cảm giữa stator và rotor: M = 40.10-3H. - Vận tốc ban đầu của bánh đà: 1500 vòng / phút (157 rad/s) và công suất tham chiếu bằng công suất danh định của máy không đồng bộ (40kW) - Thời gian mô phỏng trong 10s, trong đó 5s đầu bánh đà được tăng tốc độ từ 1500 vòng/phút đến 3000 vòng/phút sau đó giảm tốc độ từ 3000 vòng/phút đến 1500 vòng/phút ở thời gian còn lại. Các kết quả mô phỏng được chỉ ra trên các hình từ hình 4 (a,b,c,d). Trong đó: Hình 4a là đường cong tốc độ của máy điện tích hợp trong bánh đà; Hình 4b là các đường cong từ thông đặt và từ thông thực của máy điện nối với bánh đà; Hình 4c là các đường cong thành phần id của dòng điện đặt và dòng thực; Hình 4d là công suất đặt và đáp ứng công suất thu - phát của hệ bánh đà. Hình 4. Đáp ứng công suất của FESS. *Nhận xét: Kết quả mô phỏng ở trên ta thấy trong khoảng thời gian từ 0 đến 5 giây tốc độ bánh đà xuất phát từ giá trị ban đầu (1500 vòng/phút) được tăng tốc lên 3000 vòng/phút trong thời gian 5 giây. Trong khoảng thời gian này máy điện làm việc ở chế độ động cơ (công suất dương). Trong khoảng thời gian còn lại, tốc độ bánh đà giảm từ 3000 vòng/phút xuống 1500 vòng/phút, máy điện làm việc ở chế độ máy phát (công suất âm), năng lượng lưu trữ trong bánh đà dưới dạng động năng được đưa ra bù vào phần năng lượng hao hụt của pin quan điện. Kết quả công suất hệ thống pin quang điện + bánh đà cấp cho vi lưới không thay đổi. 4. KẾT LUẬN Hệ thống bánh đà lưu trữ năng lượng có nhiều ưu điểm so với các công nghệ lưu trữ năng lượng truyền thống (pin, acquy,...) như mật độ lưu trữ năng lượng lớn, có thể lưu trữ lượng năng lượng không giới hạn, vòng đời cao, chi phí vận hành thấp. Việc tích hợp FESS trong hệ thống điện mặt trời cho phép duy trì sự ổn định của năng lượng điện mặt trời. Các kết quả mô phỏng đã cho thấy tính đúng đắn và khả thi của giải pháp đề xuất. Hệ T u t h o n g r o to r (W b ) 0 2 4 6 8 10 Time (seconds) -4 -2 0 2 4 P (W ) 104 Pref P a) b) c) d) Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 61, 6 - 2019 25 thống này có thể được sử dụng để "làm mịn" và cân bằng cung - cầu năng lượng trong các hệ thống sử dụng năng lượng tái tạo làm việc độc lập hoặc nối với vi lưới. Vấn đề cần nghiên cứu tiếp theo là xây dựng mô hình thực nghiệm để kiểm tra và hoàn thiện những kết quả đã đề xuất. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Khac Lai Lai, Thi Thanh Thao Tran, "Three-Phase Grid Connected Solar System With Svm Algorithm", Journal of Engineering Research and Application, vol. 8, no. 11, pp. 42-48, 2018. [2]. KhacLai Lai, DanhHoang Dang, XuanMinh Tran, "Modeling and control the Grid- connected single-pha Photovoltaic System", SSRG International Journal of Electrical and Electronics Enginneering (SSRG-IJEEE), vol. 4, no. 5, pp. 51-56, 2017. [3]. Lai Khac Lai, Danh Hoang Dang, Lai Thi Thanh Hoa, "A New Method to Determone and Maintain the Maximum Power", Tạp chí Khoa học & Công nghệ, vol. 162, no. 02, pp. 189-194, 2017. [4]. Lại Khắc Lãi, Lại Thị Thanh Hoa, Nguyễn Văn Huỳnh, "Bánh đà lưu trữ năng lượng trong lưới có nguồn năng lượng tái tạo", Tạp chí Khoa học và Công nghệ - Đại học Thái Nguyên, vol. 173, no. 12, pp. 587-91, 2017. [5]. A. F. Tai-Ran Hsu, "On a Flywheel-Based Regenerative Braking System for Regenerative Energy Recovery", in Proceedings of Green and Systems Conference, Long Beach, 2013. [6]. Yong Xiao, Xiaoyu Ge and Zhe Zh, "Analysis and Control of Flywheel Energy Storage System", Additional information is available at the end of the chapter, pp. 131-148, 2010. ABSTRACT IMPROVING THE QUALITY OF SOLAR POWER IN THE MICRO-GRIDS The Flywheel Energy Storage System (FESS) is a new storage technology and has many advantages over traditional energy storage methods. In this paper, an integrated solution of FESS with solar power systems working in micro-grids is presented to improve the quality of solar power supplied to the grid. The results of modeling and simulation on Matlab - Simulink software have shown that the solar power system integrated FESS can overcome the energy fluctuations of solar power to provide a less changing energy for the grid. Keywords: Flywheel Energy Storage System; Microgrid; Solar Power. Nhận bài ngày 10 tháng 5 năm 2019 Hoàn thiện ngày 25 tháng 5 năm 2019 Chấp nhận đăng ngày 17 tháng 6 năm 2019 Địa chỉ: 1Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên; 2 Trường Đại học Kinh tế kỹ thuật Công nghiệp. * Email: laikhaclai@gmail.com.