1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP BÙI NGUYỄN HIỆP TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ LƯU TRỮ NĂNG LƯỢNG ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG VÀ HIỆU QUẢ KHAI THÁC CHO CÁC HỆ NGUỒN NĂNG LƯỢNG MỚI VÀ TÁI TẠO Chuyên ngành : Kỹ thuật điện THÁI NGUYÊN - 2014 Luận văn được hoàn thành tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Cán bộ HDKH : TS Ngô Đức Minh Phản biện 1 : PGS.TS Nguyễn Hữu Công Phản biện 2 : TS. Nguyễn Quân Nhu Luận văn đã được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn, họp tại: Phòng cao học số 02, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.Vào 16 giờ 30 phút ngày tháng năm 2014. Có thể tìm hiểu luận văn tại Trung tâm Học liệu tại Đại học Thái Nguyên và Thư viện trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên. 2 MỞ ĐẦU Từ cuối thế kỷ 20 và đặc biệt trong 10 năm trở lại đây tình hình năng lượng đang thay đổi - có một số lượng lớn các nguồn cung cấp năng lượng không phải là dạng truyền thống đang được thúc đẩy phát triển mạch mẽ không những riêng ở nước ta, mà trên phạm vi toàn cầu. Đó là các dạng nguồn năng lượng mới và tái tạo (NLM&TT). Ví dụ như: phong điện, thủy điện nhỏ, điện mặt trời, điện thủy triều V.V Chúng có thể được khai thác dưới các loại hình mạng điện khác nhau: có thể là mạng điện cục bộ, mạng phân tán hay được kết nối với lưới quốc gia. Tuy nhiên, đối với các dạng nguồn này đều có chung một số nhược điểm là: - Đặc tính làm việc thuộc dạng mềm hoặc siêu mềm - Tiềm năng phụ thuộc các yếu tố tự nhiên luôn thay đổi như thời gian, thời tiết, khí hậu… - Khả năng dự trữ công suất thấp. Qua phân tích tổng quan về các dạng năng lượng NLM&TT, Tác giả lựa chọn hướng nghiên cứu cho một dạng điển hình, đó là thủy điện nhỏ. Trong đó, một số thủy điện nhỏ ở các vùng núi, cách xa các trung tâm kinh tế phát triển chỉ có thể được khai thác theo hình thức mạng điện cục bộ. Trước đây, mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ chưa được quan tâm khai thác và phát triển nên các ứng dụng khoa học kỹ thuật vào điều khiển nguồn phát cũng như trong toàn mạng còn chưa được đề cập đến. Chính vì thế, làm cho tính kinh tế của hệ thống còn thấp, chất lượng điện năng cung cấp chưa đảm bảo. Ngày nay, đứng trước sự phát triển về mọi mặt của xã hội, các hoạt động sản xuất ngày càng phong phú, đời sống văn hóa tinh thần của con người ngày một nâng cao dẫn đến đòi hỏi các lưới điện vận hành phải đảm bảo các chỉ tiêu chất lượng điện năng. Mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ (MĐCBTĐN) mà đề tài quan tâm cụ thể là một mạng điện độc lập, không kết nối với lưới điện quốc gia. Một số nhược điểm của MĐCBTĐN có thể được phân tích nguyên nhân xuất phát từ hoạt động của hệ turbine-máy phát. Đương nhiên là, sự hoạt động bình thường của một máy phát đồng bộ xoay chiều ba pha được đảm bảo thông qua chất lượng điều khiển của hai hệ thống: 3 1- Hệ thống điều chỉnh kích từ để ổn định điện áp và huy động công suất phản kháng. 2- Hệ thống turbine để ổn định tần số và huy động công suất tác dụng. Với thủy điện nhỏ thì các nhược điểm phát sinh hầu như đều có nguyên nhân từ hệ thống turbine (hệ thống kích từ không bàn đến). Thực tế các thủy điện nhỏ thường được xây dựng theo kiểu thủy điện có kênh dẫn, đặc tính điều chỉnh công suất và điều chỉnh tốc độ có thời gian trễ lớn, khả năng quá tải thấp, không có khả năng huy động công suất đỉnh nên không đáp ứng được nhu cầu đòi hỏi của phụ tải thực tế. Ví dụ: Khi có động cơ khởi động: - Quá trình khởi động của động cơ bị kéo dài do đặc điểm của thủy điện nhỏ không đáp ứng được tốc độ huy động công suất cho khởi động. - Chất lượng điện năng thấp, không ổn định. Như vậy, để khắc phục tình trạng trên cần thiết phải có một nguồn dự trữ năng lượng khác ngoài máy phát. Một số biện pháp truyền thống đã được áp dụng cho các hoạt động tương tự, ví dụ như: - Dự trữ năng lượng bằng hệ bánh đà. - Dự trữ năng lượng bằng buồng áp lực Đối với một số thủy điện nhỏ thì cả hai biện pháp trên đều không thể áp dụng. Vì vậy, nhiệm vụ của đề tài là nghiên cứu tìm được một giải pháp thích hợp để khắc phục những vấn đề tồn tại trên. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài - Xác định tên đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng bộ lưu trữ năng lượng để nâng cao chất lượng điện năng và hiệu quả khai thác cho các hệ nguồn năng lượng mới và tái tạo”. Cụ thể là: - Nghiên cứu ứng dụng hệ thống tích trữ năng lượng trong mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ, nhằm mục đích nâng cao hiệu quả khai thác công suất nguồn phát và đảm bảo chất lượng điện năng cung cấp. Phạm vi nghiên cứu - Xây dựng cấu trúc điều khiển của hệ BESS trong mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ nhằm thực hiện các chức năng chính là: 4 - Huy động công suất đỉnh cho chế độ khởi động của động cơ, - Bù công suất phản kháng để cải thiện chất lượng điện áp tại điểm kết nối. Cấu trúc luận án Luận văn gồm 4 chương, 99 trang, 32 tài liệu tham khảo. Sau một thời gian nghiên cứu, đến nay luận văn đã hoàn thành. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc của mình đối với sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo TS. Ngô Đức Minh. Xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trong Bộ môn Hệ thống điện - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện giúp đỡ trong suốt quá trình tham gia khóa học. Xin chân thành cảm ơn phòng sau đại học, bạn bè đồng nghiệp và người thân đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn và chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 30 tháng 09 năm 2014 Người thực hiện Bùi Nguyễn Hiệp 5 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MỚI VÀ TÁI TẠO 1.1. Các dạng năng lượng mới và tái tạo Năng lượng tái tạo (NLTT) hay năng lượng tái sinh là năng lượng từ những nguồn liên tục mà theo chuẩn mực của con người là vô hạn. Nguyên tắc cơ bản của việc sử dụng năng lượng tái sinh là tách một phần năng lượng từ các quy trình diễn biến liên tục trong môi trường tự nhiên và đưa vào trong các sử dụng kỹ thuật cho một mục đích nào đó của con người. Các quy trình này luôn tuân theo quy luật được thúc đẩy từ Mặt trời. Vô hạn có hai nghĩa: hoặc là năng lượng tồn tại nhiều đến mức mà không thể cạn kiệt (ví dụ như năng lượng Mặt trời) hoặc là NLTT tự tái tạo theo quy luật của tự nhiên trong thời gian (vòng đời) ngắn và liên tục (ví dụ như năng lượng sinh khối, phong năng, thủy điện nhỏ từ sóng biển, thủy triều hay các dòng suối…) trong các quy trình còn diễn tiến trong một thời gian dài trên Trái đất. Tình hình NLTT trên toàn cầu được thống kê năm 2006 qua biểu đồ sau: Hình 1. 1 Các nguồn NLTT trên Thế giới năm 2006 Các nguồn năng lượng hóa thạch đã được khai thác và sử dụng từ rất lâu và đang dần cạn kiệt. Cùng với sự tăng trưởng về kinh tế, nhu cầu về năng lượng cho sản xuất và đời sống ngày càng gia tăng do đó việc tìm kiếm các công nghệ sử dụng NLTT như thủy điện nhỏ, năng lượng gió, năng lượng Mặt trời, năng lượng sinh khối, năng lượng địa nhiệt… có ý nghĩa sống còn đối với nhân loại và được sự quan tâm rộng rãi trên quy mô toàn thế giới. 6 Trong những năm cuối của thế kỷ XX và những năm gần đây, Thế giới trong giai đoạn khủng hoảng năng lượng, cho nên công tác nghiên cứu, thăm dò, khai thác và sử dụng NLTT được nhiều quốc gia chú ý và đạt được thành tựu đáng kể. Đặc điểm chung của các nguồn NLTT là mặc dù chúng có mặt khắp nơi trên Trái đất dưới dạng nước, gió, ánh sáng Mặt trời, rác thải… nhưng chúng đều có chung một đặc điểm là phân tán, và không liên tục. Việc khai thác trên quy mô công nghiệp đòi hỏi công nghệ cao và vốn đầu tư lớn. Trước mắt, khai thác trên quy mô nhỏ, cục bộ cũng là rất thiết thực và đem lại hiệu quả to lớn. Tiếp theo là hình thành mạng phân tán kết nối lưới – Đó là mô hình tất yếu của một tương lai gần. Cho đến nay với sự nỗ lực vượt bậc của các Nhà khoa học trên toàn Thế giới và sự phát triển đồng bộ của các lĩnh vực khoa học, các nghiên cứu về tự nhiên môi trường,… rất nhiều dạng năng lượng mới và tái tạo đã được đưa vào khai thác sử dụng một cách khá hiệu quả. 7 CHƯƠNG 2 MẠNG ĐIỆN CỤC BỘ THUỶ ĐIỆN NHỎ 2.1. Giới thiệu chung Mạng điện cục bộ là một hệ thống điện riêng rẽ. Trong đó, mạng điện cục bộ công suất nhỏ là một dạng đơn giản nhất, chỉ có một nguồn cung cấp (công suất từ một vài trăm đến một vài ngàn kW), hoạt động có tính chất độc lập không kết nối vào hệ thống điện quốc gia. Đại diện cho loại này là các mạng điện của nguồn phát thủy điện nhỏ, sơ đồ có dạng cơ bản như hình 2.1 Hình 2. 1 Mô tả mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ Để đáp ứng nhu cầu sử dụng điện ngày càng gia tăng đòi hỏi phải xây dựng thêm các nhà máy điện mới. Trong đó, khuyến khích phát triển các nguồn điện công suất nhỏ được sản xuất theo công nghệ sạch như: thủy điện, điện sức gió, điện mặt trời, điện thủy triều V.V. Từ sơ đồ hình 2.1 là cũng như các sơ đồ khác tương tự đều có thể biến đổi về cùng một dạng sơ đồ thay thế như hình 2.2 để thuận tiện cho việc nghiên cứu và áp đặt một cách tính toán chung. Hình 2. 2 Sơ đồ thay thế của mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ 2.1.1. Phân tích hoạt động của MĐCBTĐN 2.1.1.1. Ưu điểm của thủy điện nhỏ 2.1.1.2. Những vấn đề còn tồn tại 2.1.1.3. Giải pháp ứng dụng BESS trong mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ 2.2. Mô tả toán học hệ turbine-máyphát Nguồn phát của một trạm thủy điện nhỏ, gồm hai thiết bị chính là turbine thủy lực và máy phát đồng bộ xoay chiều ba pha. Sự làm việc bình thường của hệ được đảm bảo bằng nguyên lý cân bằng công suất giữa công suất cơ của turbine dẫn 8 động cho máy phát với mô men điện từ trong máy phát do phụ tải điện gây nên và mạch kích từ tạo nên một hệ thống kín, hình 2.7 2.2.1. Mô tả toán học máy phát 2.2.1.1. Khái niệm vector không gian của các đại lượng xoay chiều ba pha 2.2.1.2. Mô tả máy phát đồng bộ xoay chiều 3 pha trong các hệ tọa độ thông dụng 2.2.2. Mô tả toán học hệ turbine Turbine thủy điện đã được nghiên cứu từ lâu và ngày càng được hoàn thiện. Ngày nay, một trong những cấu trúc chuẩn dùng để nghiên cứu hệ điều tốc turbine thủy điện được xây dựng (hình 2.11). Cấu trúc này chỉ ra mối quan hệ giữa phụ tải và động học turbine-máy phát và ảnh hưởng của các tham số khác như: động học đường ống dẫn nước. Hình 2. 3 Sơ đồ khối chức năng bộ điều tốc turbine thủy điện 2.3. Mô tả toán học bộ biến đổi BESS trong mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ Bộ biến đổi BESS được mô tả như hình 2.18b. 9 Hình 2. 4 : a)Thay thế BESS như một nguồn áp tại PCCi, b)Cấu trúc bộ biến đổi BESS 2.4. Mô hình kho tích trữ năng lượng battery 2.5. Vận hành MĐCBTĐN và giới hạn mang tải của máy phát 2.6. Kết luận chương 2 Kết thúc chương 2 cho ta một cách nhìn đầy đủ về mô hình của một mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ thông qua việc mô tả các phần tử chính của mạng để thấy được chức năng và những ảnh hưởng của các phần tử đó trong quá trình vận hành khai thác mạng điện. Quá trình tăng tải của turbine có đáp ứng trễ theo thời gian, gia tốc dq dt phụ thuộc vào điều khiển góc mở α và quá trình huy động nước trên đường kênh dẫn đến trạm thủy điện. Trong khi đó bộ biến đổi BESS lại có đáp ứng nhanh khi thực hiện các chức năng huy động công suất cho các chế độ tải đột biến. Kết quả phân tích cho thấy MĐCBTĐN sẽ nâng cao được giới hạn công suất phát nhờ có BESS – tạo ra một động lực mạnh mẽ thúc đẩy cho vấn đề phát triển thủy điện nhỏ. 10 [...]... bảo cho sự hoạt động bền vững của các thiết bị sử dụng điện hiện đại như hệ máy tính, các máy sản xuất có hệ điều khiển theo chương trình Kết quả mô phỏng đã chứng tỏ những tính năng của BESS như đã phân tích nghiên cứu trong chương 2 và chương 3 là đúng Khẳng định tính trung thực và khoa học của các phương pháp nghiên cứu về BESS mà luận văn đã áp dụng Đây là cơ sở quan trọng để triển khai các ứng dụng. .. khi có phụ tải đột biến ) ta đặt công suất tác dụng đặt P* > 0 Ngược lại, quá trình nạp ăcquy ta đặt P* < 0 Hình 3 4 Cấu trúc điều khiển công suất tác dụng 12 CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM HỆ BESS TRONG MẠNG ĐIỆN CỤC BỘ THỦY ĐIỆN NHỎ 4.1 Mô phỏng hệ BESS trong mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ Các kết quả nghiên cứu trong chương 2 và 3 có thể được kiểm chứng thông qua bước tiếp theo là xây dựng mô hình... toàn phụ thuộc vào nguyên lý của bộ điều khiển Trong kỹ thuật điều khiển bộ biến đổi công suất thường áp dụng một số phương pháp phát xung điển hình sau: - Sử dụng bộ điều khiển kiểu 2 điểm - Phát xung kiểu sinPWM - Phát xung kiểu SVM 11 3.4 Thiết kế bộ điều chỉnh dòng điện cho hệ BESS Dựa trên mô tả toán học của bộ biến đổi BESS trên từng hệ trục tọa độ, ta sẽ có các phương án thiết kế bộ điều chỉnh... 1.4 Hình 4 3 Điện áp tại điểm kết nối chung Upcc2 BESS có khả năng huy động toàn bộ công suất cho động cơ khởi động cũng như với các dạng tải đột biến khác Năng lượng BESS cấp cho động cơ 160 kW khởi động xuất ra từ bộ nguồn một chiều ăcquy: Dòng điện một chiều có biên độ lớn I DC ≈ 1300 A, xem hình 4.10 và tương ứng điện áp ăcquy giảm xuống từ 700V xuống 650V (giảm 8% nằm trong giới hạn điện áp làm... hạn khả năng đáp ứng của hệ thủy điện nhỏ, kết quả mô phỏng không khác so với máy phát lý tưởng Tuy nhiên giảm tải tĩnh sẽ làm mất đi hiệu quả sử dụng máy phát, giảm tính kinh tế của hệ thống b) Trường hợp có BESS Các thông số mô phỏng như trường hợp khởi động động cơ có tham số như bảng PL4.2 với tải tĩnh 1.6 MW Kết quả mô phỏng được thực hiện đồng thời cho hai mô hình điều khiển sử dụng bộ điều chỉnh... bộ điều chỉnh dòng phù hợp Tác giả lưa chọn bộ điều chỉnh dòng điện thiết kế kiểu PI trong hệ tọa độ quay dq đồng bộ với điện áp tại điểm kết nối chung PCC Hình 3 3 Cấu trúc bộ điều chỉnh dòng kiểu PI cho bộ biến đổi BESS 3.5 Thiết kế bộ điều chỉnh điện áp tại điểm kết nối chung PCC 3.6 Bộ điều khiển công suất tác dụng Điều khiển công suất tác dụng với chức năng điều chỉnh quá trình phóng/nạp ăcquy,... 4.4 Đáp ứng dòng điện 1 chiều Idc Hình 4.11 Đáp ứng điện áp 1 chiều Udc Nhận xét: Nhờ có BESS, chế độ khởi động động cơ đã thực hiện thành công trên cơ sở không gây áp lực phá vỡ trạng thái làm việc ổn định cho máy phát Vì thế đã nâng cao hiệu suất khai thác vận hành máy phát Mặt khác, trong trường hợp xảy ra mất nguồn, BESS sẽ trở thành nguồn thay thế với đáp ứng nhanh trong vòng 15 chu kỳ Kết quả mô...CHƯƠNG 3 ĐIỀU KHIỂN HỆ BESS TRONG MẠNG ĐIỆN CỤC BỘ THỦY ĐIỆN NHỎ 3.1 Cấu trúc điều khiển hệ BESS 3.2 Nguyên lý xác định góc pha vector điện áp Hình 3 1 Cấu trúc khối đồng bộ tựa điện áp lưới PLL 7 6 5 4 3 2 1 0 0.2 0.21 0.22 0.23 0.24 Time (s) 0.25 0.26 0.27 0.28 Hình 3 2 Dạng tín hiệu tựa đồng bộ điện áp lưới có được bằng kết quả mô phỏng 3.3 Điều chế vector không gian SVM cho hệ BESS Phương pháp... vai trò thay thế khi mất nguồn máy phát Nhận xét: Nhờ có BESS thực hiện chức năng san tải góp phần làm bằng đồ thị phụ tải sẽ nâng cao tính kinh tế của hệ thống chức năng bù công suất phản kháng đã đảm bảo cho điện áp tại điểm kết nối PCC ở cuối đường dây hầu ổn định xung quanh giá trị định mức Một chức năng quan trọng nữa là BESS thực hiện chức năng làm nguồn thay thế với đáp ứng nhanh có một ý nghĩa... là đúng Khẳng định tính trung thực và khoa học của các phương pháp nghiên cứu về BESS mà luận văn đã áp dụng Đây là cơ sở quan trọng để triển khai các ứng dụng của BESS vào thực tế cho mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ cũng như các ứng dụng khác tương tự 19