Mô hình phân tầng trong điều khiển nối lưới cho nguồn pin nhiên liệu

Lê Kim Anh Mô hình phân tầng trong điều khiển nối lưới... 40 MÔ HÌNH PHÂN TẦNG TRONG ĐIỀU KHIỂN NỐI LƯỚI CHO NGUỒN PIN NHIÊN LIỆU Lê Kim Anh(1) (1) Trường Cao đẳng Công Thương miền Trung Ngày nhận bài: 15/8/2018; Ngày gửi phản biện 22/8/2018; Chấp nhận đăng 25/11/2018 Email: tdhlekimanh@gmail.com Tóm tắt Nghiên cứu và ứng dụng nguồn pin nhiên liệu để phát điện có ý nghĩa thiết thực đến việc giảm sự phụ thuộc vào các nguồn nhiên liệu hóa thạch, vừa có nguy cơ cạn kiệt, vừa gây ô nhiễm môi trường và thường biến động về giá. Pin nhiên liệu với ưu điểm là sự chủ động về nguồn nhiên liệu đầu vào, việc ứng dụng mô hình điều khiển phân tầng trong điều khiển nối lưới cho nguồn pin nhiên liệu, nhằm đảm bảo nguồn pin nhiên liệu luôn hoạt động ở công suất tối đa. Ưu điểm của mô hình điều khiển phân tầng là tần số, biên độ và độ lệch điện áp luôn đạt giá trị ổn định. Ngoài ra giảm được các sóng hài bậc cao, điều này có ý nghĩa lớn đến việc nâng cao chất lượng điện năng. Bài báo đã đưa ra được kết quả mô phỏng ứng dụng mô hình phân tầng trong điều khiển nối lưới cho nguồn pin nhiên liệu sử dụng phương pháp điều khiển theo độ trượt (Droop control method) nhằm duy trì công suất phát tối đa của hệ thống bất chấp tải nối với hệ thống. Từ khóa: điều khiển nối lưới, năng lượng tái tạo, pin nhiên liệu, phân tầng Abstract HIERARCHICAL MODEL IN CONTROLLING OF GRID - CONNECTED FUEL CELLS The research aims at of using and exploiting effectively fuel cell sources to generate electricity. It is meaningful to reduce the climate change and the energy dependence on fossil energy sources which are at risk of exhausting, causing environmental pollution and changing in price. The using fuel cells in power generation has the advantage of active fuel inputs. The application of hierarchical control structure in controlling of grid-connected fuel cells will ensure capacities of fuel cells are always at maximum. This control structure has advantages of stable operating frequency, voltage magnitude and voltage deviation. Besides, the elimination of high order harmonics will also have a significant effect on power quality improving. The article gives the simulation results of applying hierarchical struture in controlling of grid- connected fuel cells using droop control method in order to maintain maximum generating capacity of the system, irrespective of connected power loads. 1. Đặt vấn đề Ngày nay, pin nhiên liệu luôn được thu hút sự quan tâm của các nhà hoạch định phát triển năng lượng của các quốc gia trên thế giới. Những ưu điểm tuyệt đối của công nghệ pin nhiên liệu so với hệ thống phát điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch. Theo Chaoyong Hou, Xuehao Hu, Dong Hui (2010), đối với các hệ thống phát điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch thì hiệu suất đạt khoảng 35%, trong khi đó các hệ thống phát điện sử dụng công nghệ pin nhiên liệu có thể đạt Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 4(39)-2018 41 hiệu suất cao hơn, khoảng 47%. Với tỷ lệ phát thải các chất gây ô nhiễm môi trường như nitrogen oxit (NOx), sunfua oxit (SOx), và đặc biệt là carbon dioxit (CO2) khá thấp. 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 cực âm và cực dương, được bao quanh bởi chất điện phân. Nhiên liệu được đưa đến cực âm và oxy được đưa đến cực dương để tạo ra các phản ứng. Mô hình điều khiển phân tầng, bao gồm 3 tầng điều khiển: Tầng điều khiển thứ 1, dùng để điều khiển giữa tải với bộ nghịch lưu, sử dụng phương pháp điều khiển theo độ trượt (độ dốc). Tầng điều khiển thứ 2, dùng để đồng bộ với lưới và đưa tín hiệu độ lệch tần số, độ lệch điện áp đến tầng điều khiển thứ 1. Tầng điều khiển thứ 3, dùng để trao đổi giữa công suất của nguồn pin nhiên liệu với công suất của lưới, đồng thời đưa tín hiệu biên độ tần số và biên độ điện áp đến tầng điều khiển thứ 2. Ứng dụng mô hình phân tầng trong điều khiển nối lưới cho nguồn pin nhiên liệu nhằm hướng đến phát triển lưới điện thông minh và điều khiển nối lưới linh hoạt cho các nguồn năng lượng tái tạo. 2. Xây dựng mô hình điều khiển phân tầng cho nguồn pin nhiên liệu Mô hình điều khiển phân tầng theo Lê Kim Anh (2012), bao gồm 3 tầng điều khiển cơ bản sau: Tầng điều khiển thứ 1 (Primary Control), dùng để điều khiển dòng điện, điện áp và công suất giữa tải với bộ nghịch lưu. Tầng điều khiển thứ 2 (Secondary Control), dùng để đồng bộ với lưới. Tầng điều khiển thứ 3 (Tertiary Control), dùng để trao đổi công suất của nguồn pin nhiên liệu (FC) với lưới. Hệ thống điều khiển nối lưới của FC theo mô hình phân tầng, như hình 1 và 2. Hình 1. Sơ đồ điều khiển nguồn pin nhiên liệu theo mô hình phân tầng Hình 2. Sơ đồ điều khiển tầng thứ nhất Lê Kim Anh Mô hình phân tầng trong điều khiển nối lưới... 42 2.1. Mô hình pin nhiên liệu (FC) Dựa vào mối quan hệ giữa điện áp đầu ra và áp suất riêng phần của hydro, oxy và nước theo HalukGorg (2006), mô hình pin nhiên liệu màng trao đổi proton (Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC) được tính như sau: 2 22 2 H H an H H K M K p q  (1); và OH OH an OH OH K M K p q 2 22 2  (2) Trong đó: 2H q : dòng chảy đầu vào của hydro (kmol/s); 2H p : áp suất riêng phần của hydro (atm); Kan: hằng số van anốt   satmkgkmol ./. ; 2H M : khối lượng phân tử hydro (kg/kmol); 2H K : hằng số phân tử van hydro [kmol/(atm.s)] Đối với dòng chảy hydro phân tử, có ba yếu tố quan trọng: dòng chảy đầu vào hydro, dòng chảy đầu ra hydro và dòng chảy hydro trong phản ứng. Mối quan hệ giữa các yếu tố này có thể được biểu diễn như sau:  rHoutHinH an H qqq V RT p dt d 2222  (3) Trong đó: T: nhiệt độ tuyệt đối (K); Van: thể tích anốt (m3); inHq 2 :dòng chảy đầu vào hydro (kmol/s); out Hq 2 :dòng chảy đầu ra hydro (kmol/s); r Hq 2 :dòng chảy hydro trong phản ứng (kmol/s); Với rHq 2 được tính như sau: FCr FCsr H IK F INN q 2 2 0 2  (4) Với: N0: số lượng của pin nhiên liệu trong ngăn xếp; NS: số ngăn xếp được sử dụng trong nhà máy điện; IFC: dòng điện pin nhiên liệu (A); Kr: hằng số mô hình [kmol/(s.A)] Từ công thức (1) và (4) ta biến đổi Laplace, áp suất hydro được viết lại như sau:  FCrinH H H H IKq S K p 2 1 1 2 2 2 2     (5) Với: 2H  : hằng số thời gian của hydro (s) và RTK V H an H 2 2  (6) Điện áp của hệ thống pin nhiên liệu được tính như sau: Vcell=E+ηact+ηohmic (7) ở đây: )ln( FCact CIB (8) và FCohmic IR int (9) Trong đó: Rint : nội trở của pin nhiên liệu (Ω); B,C: hằng số để mô phỏng quá điện áp kích hoạt trong hệ thống PEMFC (A-1) và (V); E: điện áp tức thời (V); ηact : quá điện áp kích hoạt (V); ηohmic : quá áp nội trở (V); Vcell : điện áp đầu ra của hệ thống pin nhiên liệu (V). Theo [4], điện áp tức thời được xác định như sau:                  OH OH oo P Pp F RT ENE 2 22log 2 (10) Trong đó: E0: điện áp chuẩn khi không tải (V); PO2: áp suất riêng phần của oxy (atm); PH20 : áp suất riêng phần của nước (atm); Hệ thống pin nhiên liệu tiêu thụ lượng khí hydro theo nhu cầu của phụ tải điện. Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 4(39)-2018 43 Theo Xiaochun Mou, Xue Zhao, Xin Zhao (2012), lượng khí hydro có sẵn từ thùng chứa hydro được tính như sau: FU INN q FCsreqH 2 0 2  (11) Trong đó, reqHq 2 : số lượng khí hydro cần thiết để đáp ứng sự thay đổi tải (kmol/s); U: hệ số sử dụng, tùy thuộc vào cấu hình hệ thống pin nhiên liệu, dòng chảy của khí hydro và oxy. Từ các biểu thức ở trên, ta xây dựng mô hình pin nhiên liệu trên matlab/simulink, như hình 3. Hình 3. Mô hình pin nhiên liệu 2.2. Điều khiển tầng thứ 1 2.2.1. Điều khiển P,Q theo phương pháp độ trượt (độ dốc) Phương pháp điều khiển theo độ trượt (DCM) thường sử dụng trong điều khiển cho các nguồn phân tán nói chung và nguồn FC nói riêng như: điều khiển giữa tải với bộ nghịch lưu (biến tần), ở đây sử dụng bộ nghịch lưu nguồn áp (Voltage source inverter, VSI). Trong phương pháp điều khiển này công suất tác dụng được điều khiển theo độ trượt của tần số và công suất phản kháng điều khiển theo độ trượt của biên độ điện áp. Ưu điểm của phương pháp DCM là giảm các sóng hài bậc cao, điều này có ý nghĩa lớn đến việc nâng cao chất lượng điện năng. Theo Mohamed, Radwan (2011), sơ đồ mạch điện tương đương của bộ nghịch lưu, như hình 4. Ở đây: i và E : dòng điện và điện áp ra của bộ nghịch lưu; 0V : điện áp lưới và Z : trở kháng của đường dây và bộ nghịch lưu. Hình 4. Sơ đồ mạch điện tương đương của bộ nghịch lưu Từ sơ đồ hình 4, phương trình cho công suất được tính như sau: Z V Z EV IVS      2 * .. (12) Từ biểu thức (12) công suất tác dụng và công suất phản kháng được tính như sau:               sin.cos.sin)cos.( sin.sin.cos)cos.( EVE Z V Q EVE Z V P (13) Giả sử trở kháng trên đường dây Z là thuần cảm thì 090 , biểu thức (13) được viết lại như sau:          Z VEV Q Z EV P 2cos. sin .   (14) Nếu sự khác biệt giữa điện áp ra của bộ nghịch lưu với điện áp lưới không đủ lớn thì  sin và 1cos  , biểu thức (14) sẽ viết lại như sau: Lê Kim Anh Mô hình phân tầng trong điều khiển nối lưới... 44          Z VEV Q Z EV P 2. .  (15) Theo Brabandere et al., (2004), biểu thức (15) khi chuyển sang hệ tọa độ dq tính toán cho công suất tác dụng, công suất phản kháng và kết hợp với mạch lọc thông thấp được tính như sau:              )( )( oqododoq c c oqoqodod c c ivivq s Q ivivp s P     (16) Trong đó: ωc: tần số cắt của bộ lọc thông thấp; vod, voq: là điện áp của vodq ở hệ trục tọa độ dp; iod, ioq: là dòng điện của iodq ở hệ trục tọa độ dp. Hình 5. Mô hình tính toán công suất tác dụng và công suất phản kháng kết hợp với mạch lọc thông thấp. Hình 5. Mô hình tính toán công suất P,Q Tần số và điện áp ra theo Kohansal et al., (2012), điều khiển sử dụng phương pháp DCM được tính như sau:       QnEE Pm . . * * (17) Trong đó: * , *E là các giá trị hằng số của tần số và điện áp từ hệ thống đo tần số và điện áp (RMS); max/ Pm  , max2/ QEn  : là hệ số của tần số và biên độ điện áp khi điều khiển theo phương pháp điều khiển DCM, như hình 6. Hình 6. Điều khiển P,Q theo độ trượt của tần số và điện áp Từ biểu thức (16) và (17) xây dựng sơ đồ mô hình điều khiển công suất P, Q theo phương pháp DCM, như hình 7. Hình 7. Mô hình điều khiển P,Q theo phương pháp DCM 2.2.2 Điều khiển dòng điện và điện áp Theo He, Wu & Liang (2013), phương trình của điện áp và dòng điện điều khiển theo mạch vòng khi chuyển sang hệ tọa độ dq được tính như sau: Phương trình điều khiển mạch vòng ngoài của điện áp sử dụng bộ điều khiển PI       )/)(( )/)(( ** ** skkvvCvii skkvvCvii vivpoqoqodoqLq vivpododoqodLd   (18) Trong đó: * Ldi , * Lqi : là dòng điện của * Ldqi ở hệ trục tọa độ dp; * odv , * oqv : là điện áp của * odqv ở hệ trục tọa độ dp; ω: tần số góc; kvp, kvi: các thông số của bộ điều khiển; s: toán tử Laplace; C: điện dung mạch lọc. Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 4(39)-2018 45 Phương trình điều khiển mạch vòng trong của dòng điện sử dụng bộ điều khiển PI       )/)(( )/)(( ** ** skkiiLivv skkiiLivv iiipLqLqLdoqiq iiipLdLdLqodid   (19) Trong đó: * idv , * iqv : là điện áp của * idqv ở hệ trục tọa độ dp; Ldi , Lqi : là dòng điện của Ldqi ở hệ trục tọa độ dp; kip, kii: các thông số của bộ điều khiển; L: điện cảm mạch lọc. Sơ đồ điều khiển mạch vòng của điện áp và dòng điện, như hình 8. Hình 8. Điều khiển mạch vòng của điện áp và dòng điện 2.2.3 Điều khiển điện áp ra mạch trở kháng ZD(s) Theo Alireza Raghami et al., (2013), trở kháng đầu ra của các nguồn phân tán, cũng như trở kháng trên đường dây chủ yếu là cảm kháng. Tuy nhiên khi sử dụng các bộ biến đổi điện tử công suất như: DC/DC và DC/AC thì trở kháng đầu ra phụ thuộc vào các bộ điều khiển dòng điện, điện áp. Đối với điều khiển điện áp thấp như nguồn pin nhiên liệu thì trở kháng trên đường dây xem như thuần trở, điện áp đầu ra của mạch trở kháng được tính như sau: oDrefo isZvv ).( *  (20) Hình 9. Sơ đồ điện áp đầu ra mạch trở kháng 2.3. Điều khiển tầng thứ 2 Theo Josep et al., (2009), điều khiển tầng thứ 2 dùng để điều khiển tần số và biên độ, cũng như độ lệch điện áp khi tải nối với thay đổi. Đồng thời thực hiện đồng bộ với lưới, như hình 1. Phương trình giới hạn độ lệch tần số và điện áp được tính như sau:         dtEEkEEkE dtkk refiErefpE srefirefp )()( )()( ** **    (21) Trong đó: kpω, kiω, kpE và kiE: là các thông số của bộ điều khiển tầng thứ 2; Δωs: hệ số đồng bộ lưới theo tần số lấy từ tín hiệu PLL; δω và δE: là tín hiệu điều khiển tầng 1. Hình 10. Giới hạn và khả năng phục hồi tần số 2.4 Điều khiển tầng thứ 3 Điều khiển tầng thứ 3 dùng để điều khiển công suất giữa nguồn pin nhiên liệu với công suất của lưới bằng cách điều chỉnh tần số (hoặc độ lệch pha) và biên độ điện áp, như hình 1. Phương trình tần số và biên độ điện áp được tính như sau:         dtQQkQQkE dtPPkPPk GrefiQGrefpQref G refiPGrefpPref )()( )()( (22) Lê Kim Anh Mô hình phân tầng trong điều khiển nối lưới... 46 Trong đó: kpP, kiP, kpQ và kiQ là các thông số của bộ điều khiển tầng thứ 3; PG và QG: công suất tác dụng và công suất phản kháng của lưới; Pref và Qref: công suất đặt; ωref và Eref: là tín hiệu điều khiển tầng thứ 2. 3. Xây dựng mô hình và mô phỏng trên matlab/simulink 3.1 Xây dựng mô hình trên matlab/simulink Mô hình được xây dựng dựa trên sơ đồ mô hình điều khiển nối lưới hình 1, mục 2. Hệ thống điều khiển nối lưới cho nguồn pin nhiên liệu ứng dụng mô hình phân tầng được xây dựng trên matlab/simulink, như hình 11. Hình 11. Hệ thống điều khiển nối lưới cho nguồn pin nhiên liệu ứng dụng mô hình phân tầng Bảng 1. Các thông số cơ bản của pin nhiên liệu Bảng 2. Thông số các bộ điều khiển 3.1. Xây dựng mô hình trên matlab/simulink Hình 12. Công suất pin nhiên liệu (W) Hình 13. Dòng điện ngõ ra Iabc (A) 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0 2 4 6 x 10 4 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 -50 0 50 Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 4(39)-2018 47 Hình 14. Điện áp ngõ ra Uabc(V) Hình 15. Đặc tính sóng hài điện áp Hình 16. Đặc tính sóng hài điện áp Hình 17. Công suất nối lưới Hình 18. Dòng điện nối lưới Iabc (p.u) Hình 19. Điện áp nối lưới Uabc (V) Nhận xét: Qua kết quả mô phỏng, ta thấy tại thời điểm t = 0.02s đóng tải thực hiện nối lưới, dòng điện và điện áp cũng như công suất đầu ra luôn bằng giá trị đặt. Biên độ và độ lệch của tần số tại thời điểm này dao động nhưng nằm trong phạm vi cho phép ( 0.2Hz, trong điều kiện làm việc bình thường, 0.5 Hz, khi sự cố). Đặc tính sóng hài của điện áp (THD < 5%), khi t > 0.02s hệ thống nối lưới làm việc ở trạng thái ổn định. 4. Kết luận Ứng dụng mô hình phân tầng trong điều khiển nối lưới cho nguồn pin nhiên liệu đã phát huy đối đa công suất phát ra của hệ thống, bất chấp tải nối với hệ thống. Hệ thống nối lưới thông qua máy biến áp 400V/22kV và đường dây tải điện, tần số và độ lệch điện áp luôn đạt giá trị ổn định. Điều khiển nối lưới cho nguồn pin nhiên liệu theo mô hình phân tầng 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]. Alireza Raghami, Mohammad Taghi Ameli, Mohsen Hamzeh (2013). Primary and Secondary Frequency Control in an Autonomous Microgrid Supported by a Load-Shedding Strategy. IEEE. [2]. Chaoyong Hou, Xuehao Hu, Dong Hui (2010). Hierarchical Control Techniques Applied in Microgrid. IEEE. 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 -600 -400 -200 0 200 400 600 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 -200 0 200 Selected signal: 5 cycles. FFT window (in red): 2 cycles Time (s) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 0.05 0.1 0.15 Harmonic order Fundamental (50Hz) = 324.1 , THD= 0.36% M a g ( % o f F u n d a m e n t a l ) 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 -2 -1 0 1 2 x 10 4 Lê Kim Anh Mô hình phân tầng trong điều khiển nối lưới... 48 [3]. HalukGorg (2006). Dynamic modelling of a proton exchange membrane (PEM) electrolyzer. International Journal of Hydrogen Energy, 31. [4]. Josep M. Guerrero, Juan C. Vásquez, Remus Teodorescu (2009). Hierarchical Control of Droop-Controlled DC and AC Microgrids – A General Approach Towards Standardization. IEEE [5]. Junping He, Ning Wu, Liang Liang (2013). Dynamic Virtual Resistance Droop Control Scheme for Distributed Generation System. TELKOMNIKA, Vol.11, No.3, March. [6]. K. De Brabandere, B. Bolsens, J. Van den Keybus, A. Woyte, J. Driesen and R. Belmans (2004). A Voltage and Frequency Droop Control Method for Parallel Inverters. IEEE. [7]. Lê Kim Anh (2012). Xây dựng mô hình điều khiển nối lưới sử dụng nguồn pin nhiên liệu. Tạp chí Khoa học và Công nghệ, số 12. [8]. M. Kohansal, G. B. Gharehpetian, M. Abedi and M. J. Sanjari (2012). Droop Controller Limitation for Voltage Stability in Islanded Microgrid. International Conference on Renewable Energies and Power Quality, Santiago de Compostela (Spain), 28th to 30th March. [9]. M.Y. El-Sharkh, A. Rahman, M.S. Alam, P.C. Byrne, A. Sakla, T. Thomas (2004). Adynamic model for a stand-alonePEM fuel cell power plant for residential applications. Journal of Power Sources, 138. [10]. Xiaochun Mou, Xue Zhao, Xin Zhao (2012). Study on the Control Strategies of Low Voltage Microgrid. International Conference on Future Electrical Power and Energy Systems. [11]. Yasser Abdel-Rady I. Mohamed, Amr A. Radwan (2011). Hierarchical Control System for Robust Microgrid Operation and Seamless Mode Transfer in Active Distribution Systems. IEEE