- Trang Chủ
- Năng lượng
- Nghiên cứu điều khiển hệ thống lai của nguồn pin mặt trời và pin nhiên liệu trong lưới điện nhỏ
Xem mẫu
- Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật
Kỹ thuật
NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG LAI CỦA NGUỒN PIN
MẶT TRỜI VÀ PIN NHIÊN LIỆU TRONG LƯỚI ĐIỆN NHỎ
RESEARCH CONTROL SYSTEM OF HYBRID SOLAR
AND FUEL CELLS IN MICROGRID
Lê Kim Anh(*)
TÓM TẮT ABSTRACT
Nghiên cứu sử dụng và khai thác hiệu quả The research on using and exploiting
ngùn pin mặt tr̀i cũng như pin nhiên liệu đ̉ effectively solar cell and fuel cell sources to
phát điện có ý nghĩa thiết thực đến việc giảm generate electricity is meaningful to reduce the
biến đổi kh́ hậu và giảm sự phụ thuộc vào các climate change. They also reduce dependence of
ngùn nhiên liệu hóa thạch có nguy cơ cạn kiệt, power demand on fossil energy sources which
gây ô nhiễm môi trừng. Điều khỉn hệ thống are at risk of both being exhausted and causing
lai c̉a ngùn pin mặt tr̀i và pin nhiên liệu sử environmental pollution. Control hybrid system
dụng các bộ biến đổi điện tử công suất có những for grid connecting of solar cell and fuel cell
ưu đỉm như: Hệ thống nối lứi ch̉ động được sources have some advantages such as active
ngùn nhiên liệu đầu vào, khả năng truyền năng fuel input and capability of power transferring
lượng theo cả 2 hứng. Kết hợp v́i mạch ḷc sẽ in both directions. The combination of harmonic
giảm sóng hài qua lứi và loại trừ các sóng hài ilter circuits to suppress high order harmonics
bậc cao, điều này có ý nghĩa ĺn đến việc cải on the grid will also have a signiical effect on
thiện chất lượng điện năng. Bài báo đã đưa ra power quality improving. The article presents
được kết quả mô ph̉ng điều khỉn hệ thống lai simulation result of control hybrid system of an
cho ngùn pin mặt tr̀i và pin nhiên liệu sử dụng integrated solar cell and fuel cell power system
các bộ biến đổi điện tử công suất, nhằm duy tr̀ using power electronic converters, which
công suất phát tối đa c̉a hệ thống bất chấp tải maintains maximum capacity of the systems
nối v́i hệ thống. with a disregard of connected power loads.
Key words: Control hybrid; renewable
Từ khóa: Điều khiển lai; năng lượng tái
energy; small power sources; distributed
tạo; nguồn công suất nhỏ; nguồn phân tán. generation.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ Các nguồn năng lượng tái tạo có đặc điểm là
Ngày nay, nguồn năng lượng truyền thống trữ lượng lớn nhưng phân bố phân tán không
trên thế giới ngày càng cạn kiệt, đòi hỏi chúng tập trung, cần phải có sự can thiệp của các giải
ta cần tìm kiếm nguồn năng lượng mới để thay pháp kỹ thuật để thu gom chúng, hòa vào lưới
thế dần các nguồn năng lượng truyền thống. Các điện thống nhất và quản lý giám sát điện năng
nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng gió, một cách linh hoạt, đảm duy trì sự cân bằng giữa
năng lượng mặt trời, năng lượng địa nhiệt,... là cung và cầu. Tuy nhiên, để khai thác, sử dụng
một giải pháp bù đắp sự thiếu hụt của điện năng. nguồn năng lượng mặt trời và nguồn pin nhiên
(*)
Trừng Cao đẳng Công nghiệp Tuy Hòa
118
- Nghiên cứu điều khiển hệ thống lai . . .
liệu sao cho hiệu quả, giảm phát thải các chất 2. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG
gây ô nhiễm môi trường, đặc biệt là khí (CO2) SUẤT
đang là mục tiêu nghiên cứu của nhiều quốc gia. Hệ thống điều khiển nối lưới các nguồn điện
Bộ biến đổi 2 trạng thái DC/DC tạo ra điện áp phân tán (Distributed Energy Resources – DER)
một chiều (DC) được điều chỉnh để cung cấp cho
nói chung và nguồn pin mặt trời kết hợp với
các tải thay đổi, bộ nghịch lưu (DC/AC) phía
nguồn pin nhiên liệu nói riêng. Theo [1], nguồn
lưới nhằm giữ ổn định điện áp, đồng thời đưa ra
pin mặt trời (Photovoltaic cell) kết hợp với nguồn
điện áp (AC) nối lưới. Các bộ biến đổi điện tử
pin nhiên liệu màng trao đổi proton (Proton
công suất giữ vai trò rất quan trọng trong các hệ
thống điều khiển năng lượng tái tạo (Renewable Exchange Membrane Fuel Cells – PEMFC), hệ
Energy sources - RES). Hệ thống điều khiển lai thống bao gồm các thành phần cơ bản, như hình 1.
cho nguồn pin mặt trời và pin nhiên liệu sử dụng Các bộ biến đổi điện tử công suất thực hiện nhiệm
các bộ biến đổi điện tử công suất, nhằm hướng vụ như sau: Nguồn pin mặt trời và pin nhiên liệu
đến phát triển lưới điện thông minh và điều điều cho ra điện áp một chiều (DC), tất cả các điện
khiển linh hoạt các nguồn năng lượng tái tạo. áp một chiều (DC) này qua bộ nghịch lưu (DC/
AC) đưa ra điện áp (AC) nối lưới.
Hình 1. Sơ đồ điều khiển hệ thống lai của nguồn pin mặt trời và pin nhiên liệu
2.1. Bộ biến đổi 2 trạng thái DC/DC tin cậy, do điện áp ở đầu ra của pin mặt trời và
Mục đích của bộ biến đổi 2 trạng thái DC/ pin nhiên liệu không đủ lớn để có thể cung cấp
DC là tạo ra điện áp một chiều (DC) được điều cho đầu vào của bộ nghịch lưu (DC/AC). Do đó
chỉnh để cung cấp cho các tải thay đổi, bộ biến ta phải sử dụng bộ biến đổi 2 trạng thái DC/DC
đổi 2 trạng thái DC/DC giữ vai trò rất quan để nâng điện áp đầu ra đạt yêu cầu. Theo [2],
trọng trong các hệ thống điều khiển năng lượng bộ biến đổi 2 trạng thái DC/DC (Buck – Boots
tái tạo (Renewable Energy sources - RES). Để Converter) như hình 2, với giản đồ xung đóng
ổn định điện áp đầu ra cho bộ biến đổi thì đòi ngắt như hình 3.
hỏi các bộ điều khiển phải hoạt động một cách
119
- Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật
Hình 2. Sơ đồ bộ biến đổi DC/DC Hình 3. Giản đồ xung đóng ngắt của bộ biến đổi
DC/DC
2.1.1. Khi Switch ở trạng thái đóng
Ta xét trong khoảng thời gian t = 0 đến t = DT, điện áp trên cuôn dây L là Ui. Khi đó công suất
trên cuộn dây L được tính như sau:
Với điều kiện dòng qua cuộn dây L là hằng số, công suất qua cuộn dây L được viết lại như sau:
2.1.2. Khi Switch ở trạng thái ngắt
Ta thấy năng lượng trên cuộn dây L bắt đầu xả ra, Diode bắt đầu dẫn điện áp trên cuộn dây L
cung cấp cho tải U0. Khi đó ta có công suất trên tải:
Với điều kiện lý tưởng thì U0 và IL là hằng số lúc đó công suất đầu ra được viết lại như sau:
Từ phương trình (2) và (4) ta viết lại như sau:
(5)
Điện áp sau khi qua bộ biến đổi công suất sẽ tăng lên, nhờ bộ điều khiển xung kích ta có thể điều chỉnh
điện áp ra mong muốn bằng việc điều chỉnh D.
120
- Nghiên cứu điều khiển hệ thống lai . . .
2.2. Bộ nghịch lưu (DC/AC)
Việc nghiên cứu các bộ nghịch lưu bằng các phương pháp điều chế theo độ rộng xung (Pulse
Width Modulation - PWM) hoặc điều chế theo vectơ không gian (Space Vector Modulation) được
nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu trong những năm gần đây với những ưu điểm vượt trội như:
khả năng truyền năng lượng theo cả 2 hướng, với góc điều khiển thay đổi được, dung lượng sóng hài
thấp..v.v.
2.2.1. Mô hình toán học cho bộ nghịch lưu
Theo [3], bộ nghịch lưu dùng để biến đổi điện áp môt chiều thành điện áp xoay chiều ba pha có
thể thay đổi được tần số nhờ việc thay đổi qui luật đóng cắt của các van, như hình 4.
Hình 4. Sơ đồ điều khiển bộ nghịch lưu Hình 5. Giản đồ xung đóng ngắt bộ nghịch lưu
Ta giả thiết tải 3 pha đối xứng nên điện áp:
Gọi N là điểm nút của tải 3 pha dạng hình (Y). Dựa vào sơ đồ hình 4, điện áp pha của các tải được
tính như sau:
Thay biểu thức (8) vào biểu thức (7) ta có phương trình điện áp ở mỗi pha của tải như sau:
121
- Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật
Điện áp dây trên tải được tính như sau:
2.2.2. Cấu trúc điều khiển cho bộ nghịch lưu
Theo [4], giá trị đầu ra của điện áp qua bộ chỉnh lưu và bộ nghịch lưu, chuyển sang hệ tọa độ dq
được xác định như sau:
Hình 6. Điều khiển cho 2 mạch vòng dòng điện Hình 7. Điều khiển mạch vòng trong của dòng điện
2.3. Phương pháp điều khiển bám điểm thuật điều khiển đều có những ưu và nhược
công suất cực đại điểm khác nhau.
Hiện nay có nhiều kỹ thuật để điều khiển Theo [5], Các kỹ thuật này có thể phân thành
tuabin gió và pin nhiên liệu theo phương 2 nhóm chính như sau: kỹ thuật tìm kiếm và kỹ
pháp bám điểm công suất cực đại ( Maximum thuật tìm kiếm dựa trên mô hình. Ở kỹ thuật tìm
Point Power Tracking, MPPT). Ở mỗi kỹ kiếm dễ thực hiện nhưng đòi hỏi một số bước
122
- Nghiên cứu điều khiển hệ thống lai . . .
lớn mới hội tụ được điểm cực đại (Maximum mô hình. Hình 8, lưu đồ thuật toán P&O điều
Point Power, MPP) trong khi đó sẽ hội tụ rất khiển trực tiếp theo phương pháp MPPT.
nhanh điểm MPP với kỹ thuật tìm kiếm dựa trên
Hình 8. Lưu đồ thuật toán P& O điều khiển trực tiếp theo phương pháp MPPT
3. MÔ HÌNH NGUỒN PIN MẶT TRỜI VÀ PIN NHIÊN LIỆU
3.1. Mô hình pin mặt trời (PV)
* Theo quan điểm năng lượng điện tử, thì pin mặt trời PV (Photovoltaic cell) có thể được coi là
như những nguồn dòng biểu diễn mối quan hệ phi tuyến I-V như hình 9.
Hình 9. Đặc tính làm việc của pin mặt trời Hình 10. Sơ đồ tương đương của pin mặt trời
123
- Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật
Hiệu suất của tấm pin mặt trời đạt giá trị cực đại MPP (Maximum Point Power). Hệ bám
lớn nhất khi pin mặt trời cung cấp công suất điểm công suất cực đại MPPT (Maximum Point
cực đại. Theo đặc tính phi tuyến trên hình 8 thì Power Tracking) được sử dụng để đảm bảo rằng
nó sẽ xảy ra khi P-V là cực đại, tức là P-V = pin mặt trời luôn luôn làm việc ở điểm MPP bất
Pmax tại thời điểm (Imax,Vmax) được gọi là điểm chấp tải được nối vào pin.
3.2. Mô hình toán học pin mặt trời (PV)
* Dòng điện đầu ra của pin theo [6], được tính như sau:
Trong đó:
q: điện tích electron = 1.6 x10-19 C, k: hằng số Boltzmann’s = 1.38 x10-23J/K, Is:là dòng điện bão
hòa của pin, Iph: là dòng quang điện, Tc: nhiệt độ làm việc của pin, Rsh : điện trở shunt, Rs : điện trở
của pin, A: hệ số lý tưởng.
Theo biểu thức (13) dòng quang điện phụ thuộc vào năng lượng mặt trời và nhiệt độ làm việc của
pin do đó:
Với: Isc: là dòng ngắn mạch ở nhiệt độ 250C, KI: hệ số nhiệt độ của dòng điện ngắn mạch, Tref:
nhiệt độ của bề mặt pin (nhiệt độ tham chiếu), H: bức xạ của mặt trời kW/m2.
Ở đây giá trị dòng điện bão hòa của pin với nhiệt độ của pin được tính như sau:
Trong đó:
IRS: là dòng bão hòa ngược ở bề mặt nhiệt độ và bức xạ của mặt trời, EG: năng lượng vùng cấp của
chất bán dẫn, phụ thuộc vào hệ số lý trưởng và công nghệ làm pin.
Mặt khác một pin mặt trời có điện áp khoảng 0,6V, do đó muốn có điện áp làm việc cao thì ta mắc
nối tiếp các pin, muốn có dòng điện lớn thì mắc song song, như hình 11.
Vậy dòng điện một modul tấm pin sẽ là:
124
- Nghiên cứu điều khiển hệ thống lai . . .
Hình 11. Dòng điện 1 modul tấm pin
Từ các biểu thức (13), (14), (15), (16) đã phân tích ở trên, mô hình pin mặt trời được xây dựng
trên Matlab/Simulink với các ngõ vào là dòng điện, nhiệt độ. Ngõ ra là công suất và điện áp của pin,
như hình 12.
Hình 12. Mô hình pin mặt trời
3.3. 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
[7], mô hình pin nhiên liệu màng trao đổi proton – PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell)
được tính như sau:
Trong đó: qH 2 : dòngchảy đầu vào của hydro (kmol/s); pH 2 : áp suất riêng phần của hydro (atm); Kan:
hằng số van anốt ; M H 2 : khối lượng phân tử hydro (kg/kmol); K H 2 : 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:
125
- Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật
Trong đó T: nhiệt độ tuyệt đối (K); Van: thể tích anốt (m3); qHin 2 :dòng chảy đầu vào hydro (kmol/s); qHout2
r r
:dòng chảy đầu ra hydro (kmol/s); qH 2 :dòng chảy hydro trong phản ứng (kmol/s). Biểu thức (19) qH 2 được tính
như sau:
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)]; F: hằng số Faraday (C/kmol). Từ biểu
thức (17),(20) ta biến đổi Laplace, áp suất hydro được viết lại như sau:
Với: τ H 2 : hằng số thời gian của hydro (s) và
Điện áp của hệ thống pin nhiên liệu được tính như sau: Vcell=E+ηact+ηohmic (22)
ở đây:
và
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 [8] điện áp tức thời được xác định như sau:
Trong đó: E0: điện áp chuẩn khi không tải (V); PO2: áp suất riêng phần của oxy (atm)
PH2O: áp suất riêng phần của nước (atm). Hệ thống pin nhiên liệu tiêu thụ lượng khí hydro theo
nhu cầu của phụ tải điện. Theo [9] lượng khí hydro có sẵn từ thùng chứa hydro được tính như sau:
Trong đó:
qHreq2 : 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. Dựa vào các biểu thức đã phân tích ở
mô hình pin nhiên liệu, mục 3.2. Mô hình được xây dựng trên Matlab/Simulink, như hình 13.
126
- Nghiên cứu điều khiển hệ thống lai . . .
Hình 13. Mô hình pin nhiên liệu
4. XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB - SIMULINK
4.1. Xây dựng mô hình trên matlab - simulink
Mô hình ứng dụng các bộ biến đổi điện tử công suất trong điều khiển nối lưới cho nguồn pin mặt
trời và pin nhiên liệu được xây dựng trên matlab – simulink, như hình 14.
Hình 14. Sơ đồ điều khiển lai của nguồn pin mặt trời và pin nhiên liệu
127
- Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật
4.2. Kết quả mô phỏng trên matlab - simulink
128
- Nghiên cứu điều khiển hệ thống lai . . .
5. KẾT LUẬN và hệ thống điều khiển luôn làm việc ổn định.
Hệ thống điều khiển lai sử dụng các bộ Mô hình nối lưới được thông qua máy biến áp
biến đổi điện tử công suất trong điều khiển cho 400V/22kV và đường dây tải điện. Hệ thống
nguồn pin mặt trời và pin nhiên liệu trong lưới điều khiển lai cho nguồn pin mặt trời và pin
điện nhỏ, kết hợp với giải thuật điều khiển bám nhiên liệu trong lưới điện nhỏ, ứng dụng các
điểm công suất cực đại (MPPT), đã phát huy bộ biến đổi điện tử công suất nhằm hướng đến
đối đa công suất phát ra của hệ thống, đồng thời việc phát triển lưới điện thông minh và điều
công suất pin mặt trời (PV) thu được luôn đạt khiển nối lưới linh hoạt cho các nguồn năng
giá trị cực đại. Tại thời điểm t = 0.02s đóng tải, lượng tái tạo.
dòng điện và điện áp đầu ra luôn bằng giá trị đặt
TÀI LIỆU THAM KHẢO hệ thống lai c̉a tuabin gió và ngùn pin nhiên
[1]. Lê Kim Anh, 2013. Ứng dụng các bộ biến liệu. Năng lượng Việt Nam 2016, số 130 tr.63-71.
đổi điện tử công suất trong điều khỉn nối lứi [6]. Lê Kim Anh, Võ Như Tiến, Đặng Ngọc
các ngùn phân tán. Tạp chí khoa học,Trường Huy, 2012. Mô h̀nh điều khỉn nối lứi cho
đại học Cần Thơ, số 28,1-8. ngùn điện mặt tr̀i.Tạp chí khoa học và công
[2]. Bengt, Johansson, 2003. Improved nghệ, Đại Học Đà Nẵng, Số 11(60), 1-6.
Models for DC-DC Converters. Department [7]. Lê Kim Anh, 2012. Xây dựng mô h̀nh điều
of Industrial Electrical Engineering and khỉn nối lứi sử dụng ngùn pin nhiên liệu.Tạp
Automation Lund University. chí khoa học và công nghệ, Đại học công nghiệp
[3]. Nguyễn, Văn Nhờ. Điện tử công suất. Hà Nội, số 12.
Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại Học Bách [8]. M. Hashem Nehrir, Caisheng Wang, 2009.
Khoa TP. Hồ Chí Minh. Modeling and control of fuel cells. Books in the
[4]. Lê Kim Anh, 2013. Ứng dụng các bộ biến IEEE press series on power engineering.
đổi điện tử công suất trong điều kiện nối lứi [9]. M.Y. El-Sharkh, A. Rahman, M.S. Alam,
cho tuabin gió và ngùn pin mặt tr̀i. Tạp chí et al, 2004. Adynamic model for a stand-alone
Kinh tế Kỹ thuật, Trường đại học Kinh tế Kỹ PEM fuel cell power plant for residential
thuật Bình Dương, số 3 (T9), 57-68. applications. Journal of Power Sources 138, 199
[5]. Lê Kim Anh, 2016. Điều khỉn nối lứi cho – 204.
129
nguon tai.lieu . vn
