- Hà Nội, ngày LỜI MỞ ĐẦU Như chúng ta biết, hệ thống điện cục bộ là một hệ thống điện riêng rẽ, như hệ thống điện tự dùng của các xí nghiệp công nghiệp, của một tòa nhà cao tầng hay các hệ thống điện nhỏ của một địa phương ở các vùng sâu, vùng xa. - hoạt động có tính chất độc lập không kết nối vào hệ thống điện quốc gia. - Hơn thế nữa với các mạng điện cục bộ thì vấn đề huy động công suất khi đóng tải nặng và quá tải giờ cao điểm hay huy động công suất khi khởi động động cơ là một vấn đề cần được đặt ra. - Và các nhà khoa học đã nghiên cứu ra hệ thống tích trữ năng lượng nguồn ăcquy BESS (Battery Energy Storage System). - 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 lý thuyết của chỉnh lưu PWM với các thuật toán điều khiển khác nhau. - Hà Nội, ngày 20 tháng 10 năm 2010 Học viên MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cam đoan Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt Danh mục các bảng Danh mục các hình vẽ, đồ thị MỞ ĐẦU Chương 1: TỔNG QUAN MẠNG ĐIÊN CỤC BỘ 1 1.1 Khái niệm mạng cục bộ 1 1.2 Phụ tải điện và các yêu cầu của phụ tải điện 2 1.2.1 Phụ tải điện 2 1.2.2 Các yêu cầu của phụ tải điện 3 1.3 Đặc điểm của mạng điện cục bộ 5 1.3.1 Ưu điểm mạng cục bộ 5 1.3.2 Nhược điểm mạng cục bộ 5 1.4 Tìm hiểu về hệ thống điện linh hoạt FACTS 7 1.4.1 Khái niệm về hệ thống FACTS 7 1.4.2 Các thiết bị điển hình trong FACTS 11 1.4.3 Các ưu điểm của FACTS 13 1.5 Kết luận 15 Chương 2: HỆ BESS TRONG LƯỚI ĐIỆN CỤC BỘ 16 2.1 Khái niệm về BESS 16 2.2 Ứng dụng và mô hình của BESS trong lưới điện cục bộ 16 2.3 Mô hình tương đương của acqui 24 2.3.1 Quá trình phóng điện của acqui 27 2.3.2 Quá trình nạp cho acqui 29 Chương 3: CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN HỆ BESS 32 3.1 Tìm hiều các phương pháp điều khiển hệ BESS 32 3.2 Mô tả toán học chỉnh lưu PWM 34 3.2.1 Mô tả dòng điện và điện và điện áp nguồn 35 3.2.2 Mô tả điện áp vào bộ chỉnh lưu PWM 36 3.2.3 Mô tả toán học bộ chỉnh lưu PWM 37 3.3 Tìm hiểu cẩu trúc các bộ điều khiển dòng và công suất trong hệ BESS 42 3.3.1 Cấu trúc điều khiển theo phương pháp DPC 42 3.3.2 Cấu trúc điều khiển theo phương pháp VOC 47 3.4 Tính toán tham số cho hệ BESS cụ thể 56 3.4.1 Tính toán công suất bù của của BESS 56 3.4.2 Tính toán tụ lọc DC 56 3.4.3 Tính toán điện cảm L 56 3.4.4 Tính chọn acqui 57 3.4.5 Tính chọn van bộ biến đổi công suất 58 Chương 4: MÔ PHỎNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN HỆ BESS 61 4.1 Tìm hiều phần mềm mô phỏng 61 4.2 Cấu trúc hệ BESS trong mô phỏng 62 4.3 Kết quả mô phỏng hệ BESS khi khởi động động cơ KĐB 68 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU VỀ MẠNG ĐIỆN CỤC BỘ 1.1 Khái niệm mạng cục bộ Để nghiên cứu về mạng điện cục bộ ta sẽ tìm hiều sơ qua về hệ thống điện và các loại hệ thống điện trong thực tế. - Một hệ thống điện thường bao gồm: Nguồn phát điện, truyền tải, cung cấp, phân phối, tới các hộ tiêu thụ điện. - Hệ thống điện cục bộ là một hệ thống điện riêng rẽ, như hệ thống điện tự dùng của các xí nghiệp công nghiệp, của một tòa nhà cao tầng, của một khách sạn hay các hệ thống điện nhỏ của một địa phương ở các vùng sâu, vùng xa hẻo lánh. - Phụ tải điện và các yêu cầu của phụ tải điện 1.2.1 Phụ tải điện Ta biết phụ tải điện là công suất tác dụng và công suất phản kháng yêu cầu tại một điểm nào đó của lưới điện làm việc với điện áp định mức gọi là điểm đặt hay điểm đấu phụ tải. - Công suất tác dụng P là công suất có tiêu hao năng lượng của nguồn điện để sinh công, công suất phản kháng Q là công suất chỉ để tạo ra từ trường, mang tính cảm, không tiêu thụ năng lượng của nguồn để sinh công. - Cả hai thành phần công suất P và Q đều gây tổn thất công suất tác dụng và tổn thất điện áp trên các thiết bị truyền dẫn của mạng điện. - P và Q có tương quan với nhau và đặc trưng bằng công suất biểu kiến S và hệ số công suất cosφ theo các biểu thức sau: S3UI. - Phụ tải là thông số đầu vào quan trọng của bài toán quy hoạch, thiết kế và vận hành hệ thống điện. - Biết chính xác được phụ tải sẽ thiết kế được hệ thống điện tối ưu về chi phí sản xuất, phân phối điện nhỏ nhất, chi phí trong vận hành nhỏ nhất. - 1.2.2 Yêu cầu của phụ tải điện Phụ tải điện luôn đòi hỏi với hệ thống điện về hai yếu tố là: Chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp điện. - Độ không sin: Các phụ tải phi tuyến như bộ chỉnh lưu công suất. - Sóng hài bậc cao sẽ gây ra giảm điện áp trên đèn điện và các thiết bị sinh nhiệt, tăng tổn thất sắt từ trong động cơ, tổn thất điện môi trong cách điện, tăng tổn thất trong lưới điện và thiết bị dùng điện, gây nhiễu các thiết bị bảo vệ, điều khiển điện tử,… Theo tiêu chuẩn 519-IEEE đề nghị: tổng các thành thành phần sóng hài cao không được vượt quá 5% sóng hài cơ bản (THD ≤ 5%) Độ tin cậy cung cấp điện được tính bằng thời gian mất điện trung bình năm cho một hộ dùng điện và các chỉ tiêu khác đạt giá trị hợp lý chấp nhận được cho cả hai phía người dùng điện và hệ thống điện. - Độ tin cậy cung cấp điện được đảm bảo nhờ cấu trúc của hệ thống điện và lưới điện được lựa chọn trong quy hoạch, thiết kế. - Bởi vậy hệ thống điện cũng phải hoàn thiện không ngừng về cấu trúc và điều độ hệ thống để thích nghi và đáp ứng được những yêu cầu đó. - Vấn đề huy động công suất khi đóng tải nặng và quá tải giờ cao điểm: Trong vận hành thường xuyên xảy ra chế độ đóng cắt những phụ tải lớn ví dụ như đóng cắt một nhánh đường dây nào đó của lưới, phụ tải biến động đột ngột gây áp lực lớn cho máy phát. - Vấn Vấn đề huy động công suất khi khởi động động cơ: Do công suất là nhỏ nên khi có phụ tải đỉnh cần huy động công suất như khởi động động cơ không đồng bộ. - Công suất khởi động đòi hỏi lớn hơn nhiều từ 5 đến 7 lần công suất định mức của động cơ trong một thời gian tính bằng ms , vượt quá khả năng đáp ứng của nguồn có thể làm mất cân bằng mô men trên trên trục máy phát khiến tốc độ giảm, tần số dao động sẽ phát sóng hài vào lưới (Hình 1.5). - Vấn đề sóng điều hòa bậc cao: Trong mạng có các tải phi tuyến như các thiết bị chỉnh lưu công suất, các hệ truyền động điều chỉnh tốc độ qua bộ biến đổi công suất, các đèn phóng điện trong hệ thống chiếu sáng… chính là nguồn sinh ra các sóng hài bậc cao nhả vào lưới. - Tìm hiểu về hệ thống điện linh hoạt FACTS 1.4.1. - Khái niệm về hệ thống FACTS Nhu cầu về quản lý các hệ thống điện hiệu quả hơn đã thúc đẩy sự đổi mới công nghệ trong sản xuất và truyền tải điện năng. - Các thiết bị FACTS cung cấp những lợi ích cho việc nâng cao quản lý hệ thống truyền tải thông qua việc sử dụng tốt hơn các lưới truyền tải hiện có. - tăng độ tin cậy và khả năng sẵn sàng của hệ thống truyền tải. - Đây là khái niệm về một hệ thống điện linh hoạt. - Có nghĩa là các thông số của hệ thống được điều khiển, đáp ứng nhanh theo sự thay đổi của phía đầu vào cũng như khi thay đổi điểm làm việc. - Các thiết bị FACTS được sử dụng để điều khiển điện áp, trở kháng và góc pha của các đường dây truyền tải xoay chiều cao áp. - Các thiết bị SVC cũng được sử dụng để làm giảm các dao động công suất, cải thiện độ ổn định quá độ và giảm tổn hao hệ thống nhờ tối ưu điều khiển công suất phản kháng. - Đặt một bộ phản ứng như vậy song song với một tụ nối tiếp cho phép tạo ra một hệ thống bù nối tiếp thay đổi liên tục và nhanh chóng. - Những lợi điểm chủ yếu của TCSC là tăng công suất truyền tải, giảm các dao động công suất, giảm các cộng hưởng đồng bộ và điều khiển dòng công suất đường dây. - So với loại SVC thông thường, STATCOM không yêu cầu các thành phần cảm kháng và dung kháng lớn để cung cấp công suất phản kháng các hệ thống truyền tải cao áp, như vậy, yêu cầu về diện tích lắp đặt nhỏ hơn. - Một lợi thế khác là đầu ra phản ứng cao hơn ở điện áp hệ thống thấp, nơi một STATCOM có thể được xem như một nguồn dòng độc lập với điện áp hệ thống. - Bộ điều khiển trào lưu công suất hợp nhất (UPFC): Kết nối một STATCOM là một thiết bị được nối mạch rẽ, với một nhánh nối tiếp trong đường dây truyền tải qua mạch DC của nó tạo ra UPFC. - Nói tóm lại, Công nghệ FACTS là dựa trên nguyên tắc hoạt động của các bộ biến đổi VSI (Voltage Source Inverter), VCS (Voltage Source Converter) công suất lớn. - Do sự phát triển của công nghệ sản xuất các thiết bị điển tử công suất lớn như GTO, IGTO, IGBT,… đã cho phép ứng dụng vào hệ thống điện, nâng cao khả năng điều khiển việc truyền tải điện năng cũng như nâng cao chất lượng điện năng. - FACTS là tập hợp của nhiều thiết bị điều khiển truyền tải điện năng trên nền tảng các phần tử điện tử công suất lớn và sự tiến bộ trong công nghệ chế tạo các kho điện (ăcquy) và kho từ (cuộn cảm siêu dẫn). - Muốn điều khiển công suất tác dụng Pr và công suất phản kháng Qr trên đường dây, thiết bị FACTS sẽ điều khiển các giá trị các thông số XL . - δ - khi δ = δs-δr >0, dòng công suất tác dụng sẽ chảy từ nguồn Vs sang tải Vr và ngược lại, δ < 0 thì sẽ có chế độ trả công suất tác dụng từ tải về nguồn. - khi (Vs-Vr.cosδ)>0, dòng công suất phản kháng chảy từ nguồn sang tải và ngược lại, nếu Vs < Vr.cosδ thì tải phát công suất phản kháng lên đường dây. - Bù nối tiếp lý tưởng Bù song song lý tưởng Bù song song lý tưởng là điều khiển dòng công suất phản kháng trên lưới thông qua việc điều chỉnh điện áp phát ra từ thiết bị bù. - Chính vì thế nó tăng sự ổn định cho hệ thống. - Cấu trúc bộ lọc song song + Đặc điểm: Loại trừ các sóng hài dòng điện, bù công suất phản kháng, bù thành phần dòng điện không cân bằng. - Hệ thống tích trữ năng lượng nguồn ăcquy BESS (Battery Energy Storage System) Nhóm mắc hỗn hợp. - Các ưu điểm của FACTS Những lợi ích khi sử dụng các thiết bị FACTS trong các hệ thống truyền tải điện có thể tóm tắt như sau: Sử dụng tốt hơn các hệ thống truyền tải hiện có Tại nhiều nước, việc tăng dung lượng chuyển giao năng lượng và điều khiển luồng tải của các đường dây truyền tải có tầm quan trọng thiết yếu, đặc biệt ở những nước có thị trường điện chưa được kiểm soát, nơi các vị trí phát điện và trung tâm tải có thể thay đổi nhanh chóng. - Các thiết bị FACTS giúp đáp ứng những yêu cầu này với những hệ thống truyền tải hiện có. - Tăng độ tin cậy và tính khả dụng của hệ thống truyền tải Độ tin cậy và tính khả dụng của hệ thống truyền tải phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau. - Tăng độ ổn định động và quá độ của lưới Những đường dây dài liên kết các hệ thống, những tác động thay đổi phụ tải và các sự cố đường dây có thể tạo ra sự bất ổn định trong hệ thống truyền tải. - Các vấn đề này cũng có thể dẫn tới giảm dòng công suất trên đường dây, dòng công suất vòng hoặc thậm chí dẫn đến cắt đường dây. - Các thiết bị FACTS làm ổn định các hệ thống truyền tải với việc tạo nâng cao công suất truyền tải và giảm nguy cơ sự cố đường dây. - Điều khiển các đường truyền công suất. - Tăng dung lượng truyền tải điện năng bằng cách bù công suất phản kháng. - Điều khiển sự đồng bộ giữa các điểm kết nối của hệ thống điện. - Có sự linh hoạt cao trong điều khiển hệ thống. - Kết luận Việc ứng dụng các thiết bị FACTS vào trong hệ thống truyền tải điện đã mang lại những lợi ích hết sức to lớn, đặc biệt là các lợi ích về truyền tải điện năng một cách hiệu quả, tăng độ tin cậy cung cấp điện và giảm các giao động hệ thống. - FACTS đã mở ra nhiều khả năng và triển vọng cho ngành hệ thống điện, tăng cường sự ổn định cho hệ thống, tăng chất lượng nguồn ở cả hệ thống truyền tải và hệ thống phân phối, tăng dung lượng truyền tải, giảm nhẹ ứng xuất tại các điểm nút mà không cần phải xây dựng đường truyền tải mới. - Ngoài ra FACTS cũng đưa thêm nhiều khả năng mới như các thiết bị UPFC, IPFC có thể phân luồng hay hợp nhất các hệ thống điện. - Một thiết bị được quan tâm nghiên cứu trong hệ thống FACTS là thiết bị BESS và ứng dụng của nó trong mạng điện cục bộ. - Các chương tiếp theo ta sẽ khảo sát, đưa ra cấu hình mạch lực của hệ BESS, và phương pháp điều khiển hệ thống này để đảm bảo các tiêu chuẩn đã đề cập ở trên cho lưới điện. - Khái niệm về BESS BESS (Battery Energy Storage System) là hệ thống tích trữ năng lượng nguồn ăcquy. - BESS thuộc nhóm thiết bị bù song song trong hệ thống. - Minh họa một hệ thống điện có ứng dụng BESS. - Nếu thiết lập ăcquy có công suất đủ lớn, với khả năng huy động công suất linh hoạt (thông minh) nhờ thuật điều khiển thích hợp, thì BESS hoàn toàn có khả năng loại trừ được những nhược điểm của nguồn điện cục bộ - điều này trước đây chưa được các chuyên gia năng lượng quan tâm một cách thoả đáng. - BESS có khả năng huy động nhanh các thành phần công suất tác dụng, công suất phản kháng khi lưới điện có các biến động tải như: đóng tải đường nặng, chế độ quá tải giờ cao điểm trong ngày, quá tải đỉnh (khi khởi động động cơ). - Bù công suất tải khi có biến động lưới điện 2. - BESS làm nhiệm vụ bù công suất phản kháng nhằm mang lại một số hiệu quả đó là: Nâng cao cosϕ cho mạng và điều chỉnh giá trị điện áp làm việc tại điểm kết nối, giảm sóng hài khi có tải phi tuyến làm việc. - Đảm bảo sự cân bằng tải và ổn định hệ thống điện thậm chí trong một thời gian khá dài hàng giờ theo cầu của tải khách hàng khi mạng đang trong tình trạng sự cố mất đối xứng mà nặng nề nhất là các ngắn mạch. - Ví dụ về đêm, phụ tải nhỏ, giá điện rẻ thì BESS tích năng lượng, ban ngày vào giờ cao điểm (khi giá điện là cao) BESS phát công suất hỗ trợ cho nguồn cục bộ thì sẽ đem lại hiệu quả kinh tế cao và góp phần làm giảm ứng suất cho lưới điện trong giờ cao điểm. - BESS điều hòa công suất trong ngày Cấu hình của BESS gồm có ba yếu tố chính là: bộ biến đổi công suất, bộ tích trữ năng lượng một chiều và thuật toán điều khiển được mô tả như ( Hình 2.5). - BESS được nối với hệ thống tại điểm PCC (point of common coupling) thông qua mạch lọc filter. - Cấu trúc cơ bản của hệ thống tích trữ năng lượng nguồn ăcquy BESS Bộ biến đổi công suất PCS (power conditioning system) cho phép trao đổi công suất hai chiều từ phía xoay chiều sang một chiều và ngược lại. - Bộ tích trữ năng lượng một chiều là tổ hợp của những bình ăcquy (battery) đơn vị có điện áp và công suất chế tạo sẵn. - Để có được điện áp và công suất mong muốn ta ứng dụng hai cách nối cơ bản là nối tiếp và song song. - Mô hình mạch lực BESS Việc lựa chọn bộ biến đổi công suất để ứng dụng cho hệ thống BESS là một vấn đề quan trọng đảm bảo chất luợng điện năng cho lưới điện, một cách lựa chọn đơn giản có thể sử dụng hai bộ cầu thyristor mắc song song ngược. - Tuy nhiên hệ thống này đã thể hiện nhiều nhược điểm như khả năng chịu tần số đóng cắt thấp do đó không thể ứng dụng các phương pháp điều chế độ rộng xung tần số cao, phát sinh nhiều sóng hài, tồn tại dòng cân bằng… Vì vậy bộ biến đổi công suất PWM sử dụng cầu ba pha IGBT-Diode là giải pháp tốt nhất hiện nay. - Mô hình bộ biến đổi công suất PWM được giới thiệu trên Hình 2.6. - Sơ đồ bộ biến đổi công suất IGBT Nguyên lý của chỉnh lưu PWM Để thấy rõ nguyên lý làm việc của chỉnh lưu PWM ta sử dụng sơ đồ thay thế một pha: US là điện áp sau chỉnh lưu được quy đổi về điểm a, giản đồ vectơ tổng quát như (hình 2.7b). - Nếu điều khiển chỉnh lưu PWM để vectơ dòng điện LIr trùng với vectơ điện áp LUr thì ta có cosϕ = 1 và công suất Pd > 0. - Khi vectơ LIr ngược với vectơ LUr ta có cosϕ = -1 và công suất Pd < 0. - Như vậy chỉnh lưu PWM hoàn toàn có thể trao đổi công suất theo hai chiều. - Nếu điều khiển chỉnh lưu PWM để véc tơ dòng điện LI trùng với véc tơ LU ta có cosφ = 1 và công suất 0dP. - Khi véctơ dòng điện LI ngược với véc tơ LU ta có cosφ = 1 và công suất 0dP RRFRRF->SRFSabcSLLoad Enable1UdcIc_abcIdcI_LoadIg_abcUg_abcPLECSCircuitPWM ConverterUacbPhiUdqUal_beOmegaPLLManual Switch2 (dong co)[Ic_d]Goto9[Iq_compGoto8[Id_compGoto7[Ug_abc]Goto6[Ual_be]Goto5[Ig_abc]Goto4[Ic_abc]Goto3[Udc]Goto2[Omega]Goto14[I_load]Goto12[Udq]Goto11[Ic_q]Goto10[Phi]Goto1[IF]Goto[Phi]From9[Udq]From8[Phi]From7[I_load]From6[Ug_abc]From5[IF]From4[IF]From3[Omega]From24[Ug_abc]From23[Ig_abc]From22[Phi]From21[Ic_abc]From20[IF]From2[Iq_comp]From19[Id_comp]From18[Ic_q]From17[Ic_d]From16[Ug_abc]From15[Ual_be]From14[I_load]From13[Ug_abc]From12[Udc]From11[Ic_abc]From10[IF]From1emId*IdId_compIq*IqIq_compUdqOmegaUdq*Current ControllerNet VoltageLoad CurrentPhiId_comp*Iq_comp*Compensating Current Calculator3ph->SRFVabcIabcPQVabcIabcPQVabcIabcPQ01041302In1 Out1Iq*Id* Hình 4.1. - Cấu trúc bộ điều khiển kiểu PI số Trong đó : V = Kp. - Trên cơ sở yêu cầu công suất phản kháng Q và công suất tác dụng P cần bù khi khởi động động cơ ta tính ra được các thành phần dòng bù Id_com và Id_com. - Đây chính là lượng đặt cho bộ điều khiển dòng điện. - Cấu trúc khối tính lượng bù dòng dựa trên yêu cầu các thành phần công suất của hệ BESS bù cho tải Từ phương pháp xây dựng bộ điều chỉnh dòng ở chương 3 ta có mô hình bộ điều khiển dòng trên nền Matlab/Simulink như hình 4.9 1Udq*Scope4Product1ProductxyPI Regler1xyPI Regler-K-Gain1-K-GainAdd2Enable8Omega7Ud6Iq_comp5Iq4Iq*3Id_comp2Id1Id* Hình 4.9. - Mô hình cấu trúc khối xác định góc tựa Các thành phần công suất được xác định bằng các đo tức thời các giá trị điện áp dòng điên như mô hình trong hình 4.11 1) P = Va*Ia + Vb*Ib + Vc*Ic2) Q = 1/sqrt(3)* (Vbc*Ia + Vca*Ib + Vab*Ic)This block computes the 3-phase instantaneous real power and reactive power using the following equations:Note: Equation 2 is valid only for a balanced and harmonic-free system. - Mô hình cấu trúc khối tính các thành phần công suất 4.3. - Đặc tính góc tựa điện áp lưới Hình 4.14. - Đặc tính điện áp nguồn Hình 4.15. - Đặc tính thành phần công suất tác dụng tải và BESS Ptải Pbess Qbess Qtải Hình 4.20. - Đặc tính thành phần công suất phản kháng tải và BESS Sai lệch giữa các thành phần công suất tải và BESS chính là công suất nguồn cần huy động. - Hình 4.211. - Đặc tính thành phần công suất tác dụng của nguồn Hình 4.22. - Đặc tính thành phần công suất phản kháng của nguồn Hình 4.22. - Đặc tính thành phần công suất biểu kiến S của BESS Hình 4.22. - Đặc tính thành phần công suất biểu kiến S của tải Hình 4.22. - Đặc tính thành phần công suất biểu kiến S của nguồn KẾT LUẬN Với đề tài trên, ta tiến hành nghiên cứu ứng dụng hệ BESS trong lưới điện cục bộ
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt