CÔNG NGHỆ Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ● Số 13.2023
46
KHOA H
ỌC
NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG BỘ LƯU ĐIỆN LAI GHÉP GIỮA SIÊU TỤ VÀ BỘ LƯU ĐIỆN TRUYỀN THỐNG TRONG ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ VÀ ĐIỆN ÁP TRONG LƯỚI ĐIỆN NHỎ
STUDY ON THE USE OF HYBRID UPS BETWEEN SUPERCAPACITORS AND TRADITIONAL UPS IN FREQUENCY AND VOLTAGE CONTROL IN SMALL POWER GRIDS Nguyễn Hồng Sơn1, Nguyễn Bá Khang2, Nguyễn Văn Hùng2, Phạm Thị Hồng Hạnh3,* TÓM TẮT Hệ thống lưu trữ năng lượng điển hình hiện nay là bộ lưu điện truyền thố
ng,
mang những đặc trưng và ưu thế vượt trội về khả năng lưu trữ năng lượng lớ
n. Ngoài
ra, với sự nhỏ gọn và không bị giới hạn về vị trí lắp đặt, bộ lưu trữ năng lượng bằ
ng
pin dễ dàng lắp đặt tại nhiều vùng khác nhau mà không phải phụ thuộ
c như các
nguồn năng lượng khác. Tuy nhiên, một bộ lưu điện đòi hỏi một khoảng thờ
i gian
nhất định để đáp ứng được với sự thay đổi công suất, song song với đó là khả
bơm công suất bị giới hạn và có thể gây ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thố
ng. siêu
tụ điện hiện nay cũng đóng góp những lợi ích nhất định trong hệ thống điện. Siêu tụđiện có khả năng phục vụ nhu cầu ngắn hạn của hệ thống điện, giúp đảm bả
o cung
cấp điện ổn định trong thời gian ngắn, bên cạnh đó siêu tụ điện có hiệu suất hoạ
t
động cao, đảm bảo cung cấp điện ổn định và đáp ứng nhanh chóng các yêu cầu vềcung cấp điện. Bài báo sẽ đưa ra một phương pháp quản lý và điều khiển bộ biến đổ
i
công suất và thực hiện kiểm chứng kết quả thông qua phần mềm Matlab/Simulink.
Từ khóa: Bộ lưu điện, siêu tụ, bộ biến đổi công suất, lưới điện phân phối. ABSTRACT Current,
storage systems typically feature electrical storage, providing
outstanding features and advantages in terms of bulk storage capacity. In addition,
with compactness and no limitation on installation location, battery energy storage
can easily be installed
in many different areas without having to depend on other
energy sources. However, an uninterruptible power supply requires a certain amount
of time to respond to changes in capacity, has a limited capacity to generate power,
and can affect system perform
ance. Superpower today also contributes the most
useful benefits in the power system. Super capacitors have the ability to serve the
shortened needs of the power system, helping to ensure stable power supply in a
short time. Besides, super capacitors have
high performance, ensuring stable power
supply. and quickly respond to power supply requirements. This article will present
a method for managing and controlling variable power and performing test results
through Matlab/Simulink tool. Keywords: UPS, supercapacitor, power converter, distribution grid. 1Lớp Điện 03 - K15, Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội 2Lớp Điện 01 - K15, Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội 3 Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội *Email: phamthihonghanh80@gmail.com 1. GIỚI THIỆU Lưu trữ năng lượng, đặc biệt với các dạng điện tái tạo như điện mặt trời, điện gió được nhiều chuyên gia đánh giá là giải pháp cho vấn đề quá tải, cắt giảm công suất phát lên lưới trong thời gian qua. Mặc dù chi phí cho vấn đề lưu trữ đã giảm mạnh trong 10 năm qua, nhưng việc triển khai tại Việt Nam vẫn còn nhiều vướng mắc do thiếu cơ chế, chính sách hỗ trợ. Theo thông tin từ Công ty Cổ phần tư vấn xây dựng điện 5 (PECC5), hiện nay, hệ thống điện Việt Nam còn phụ thuộc nhiều vào thủy điện, nhiệt điện (70% về công suất và khoảng 90% sản lượng). Tỷ lệ công suất lắp đặt năng lượng tái tạo gồm: điện gió, điện mặt trời ở mức cao, khoảng 27%. Tuy nhiên, tỷ trọng sản lượng tối đa còn thấp, khoảng 9,6% [1, 2]. Hình 1. Công suất đặt nguồn điện giai đoạn 2010 - 2019 Giải pháp lưu trữ năng lượng được kỳ vọng sẽ là ngành tăng trưởng mạnh trong tương lai và có nhiều tiềm năng mở rộng. Trong những năm qua, nhiều dự án điện năng lương tái tạo gặp phải vấn đề cắt giảm công suất và vấn đề lưu trữ năng lượng đã được tính đến. Khi sử dụng lưu trữ điện năng sẽ tác động tích cực lên hệ thống điện, giúp vận hành ổn định hơn, giảm thiểu các yêu cầu dự phòng về công suất; điều chỉnh và dịch chuyển biểu đồ phụ tải (phủ đỉnh, điền đáy) giữa các chế độ cao/thấp điện. Qua đó, góp phần giảm
SCIENCE - TECHNOLOGY Số 13.2023 ● Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 47
quá tải lưới điện và tổn thất; tăng lượng năng lượng tái tạo vào hệ thống [3]. 2. MÔ HÌNH CÁC PHẦN TỬ 2.1. Bộ lưu điện truyền thống Bộ lưu điện truyền thống là hệ thống lưu trữ điện năng bằng pin với dung lượng lớn. Bộ lưu điện truyền thống có hai chế độ hoạt động. Trong chế độ hoạt động bình thường, nguồn điện được cung cấp cho các thiết bị trực tiếp từ nguồn điện AC. Khi xảy ra mất điện, bộ lưu điện truyền thống sẽ chuyển sang chế độ lưu điện và cung cấp nguồn điện từ pin được tích trữ bên trong bộ lưu điện. Khi nguồn điện trở lại, bộ lưu điện truyền thống sẽ tự động chuyển về chế độ hoạt động bình thường [4]. Tuy nhiên, bộ lưu điện truyền thống có một số hạn chế. Thời gian chuyển đổi từ nguồn điện AC sang pin trong chế độ lưu điện không đủ nhanh để đảm bảo các thiết bị sử dụng không bị gián đoạn. Ngoài ra, khả năng lưu trữ năng lượng của pin bên trong bộ lưu điện cũng giới hạn, do đó thời gian lưu điện của bộ lưu điện truyền thống không thể kéo dài quá lâu [5]. Hình 2. Mô hình xác định thời lượng pin 10cap0
1SOC(t)SOCi(t).d(t)C
(1) 2.2. Siêu tụ điện Siêu tụ điện có điện dung rất lớn so với tụ điện thông thường nên chứa được rất nhiều điện (năng lượng điện bằng 1/2CU2 ). Hơn nữa quá trình nạp điện, phóng điện là một quá trình vật lý, điều khiển điện tích chuyển động bằng điện trường, không dùng đến các phản ứng hóa học. Nhờ đó siêu tụ điện rất bền, không chóng bị suy thoái: thời gian sử dụng hàng chục năm, nạp đi nạp lại được hơn 500.000 lần (ăcquy, pin nạp loại tốt nạp đi nạp lại được vài ngàn lần, thời gian sử dụng cỡ một vài năm). Việc nạp điện hay phóng điện cho siêu tụ điện có thể tiến hành rất nhanh vì đây là cách dùng điện trường điều khiển các ion chuyển động để chạy vào các lỗ nhỏ ở than hoạt tính (khi nạp) hoặc cho electron chạy ở mạch ngoài để cân bằng loại các ion dương và âm tập trung ở các điện cực than (khi phóng). Ở pin nạp phải chờ thời gian trao đổi của phản ứng hóa học nên không thể nạp nhanh hoặc phóng nhanh [6-8]. Điện dung của một siêu tụ được tính bằng: iiic0i0i0i
I(t)tQC(V)VV
(2) Trong đó: Cc(V0i) là điện dung bên trong tại điểm I; Ii là dòng điện tỷ lệ tại điểm i; Qi là điện tích của điểm lưu trữ thứ i. 2.3. Bộ biến đổi DC/DC hai chiều Bộ biến đổi DC/DC hai chiều có vai trò biến đổi điện áp đầu vào, đồng thời là mạch sạc cho pin và siêu tụ và ổn định điện áp một chiều trước khi đưa vào bộ nghịch lưu xoay chiều. outin1VV1k (3) Ở chế độ dòng không liên tục điện áp đầu ra của bộ biến đổi là:
ininout1VkTVVT0
(4) 1outin1kVV
(5) Trong đó: Vout là điện áp đầu ra của bộ biến đổi; Vin là điện áp vào của bộ biến đổi; k là chu kỳ nhiệm vụ; T là thời gian chuyển mạch; Δ1 là khoảng thời gian điện áp cuộn cảm âm. Quá trình nạp xả của tụ điện được xác định bởi phương trình:
2dcBESSAC
dvCPP2dt (6) ACddqqPvivi (7) Chế độ hoạt động của bộ lưu điện: Chế độ xả: (B.it)batt0QVER.iK(iti*)A.eQit
(8) Chế độ nạp:
tbatt0
QQVER.iKiKiteit0,1QQit
(9) 3. MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ Hình 3. Quá trình sạc/ xả của pin
CÔNG NGHỆ Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ● Số 13.2023
48
KHOA H
ỌC
Đặc tính của pin và siêu tụ khi ngắt lưới hệ thống và thay đổi công suất phụ tải điện được thể hiện trực quan thông qua hai thông số SOC B (%) và SOC SC (%) trong hình 3. Hình 4 thể hiện quá trình thay đổi điện áp khi ngắt lưới lớn và có sự thay đổi công suất của phụ tải. Hình 4. Điện áp khi thay đổi công suất phụ tải 4. KẾT LUẬN Nội dung bài báo đã đề cập một ứng dụng mới của bộ lưu điện lai ghép giữa siêu tụ và bộ lưu điện truyền thống trong điều khiển tần số và điện áp trong lưới điện nhỏ, cung cấp thông tin hữu ích cho các nhà nghiên cứu và kỹ thuật viên trong lĩnh vực nghiên cứu liên quan đến lưới điện nhỏ và ổn định hệ thống. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. L. Gao, S. Liu, R. A. Dougal, 2002. Dynamic lithium-ion battery model for system simulation. in IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, 495–505. doi: 10.1109/TCAPT.2002.803653. [2]. S. Abu-Sharkh, D. Doerffel, 2004. Rapid test and non-linear model characterisation of solid-state lithium-ion batteries. J Power Sources, 130, 1-2, 266-274, doi: 10.1016/j.jpowsour.2003.12.001. [3]. T. Ariyarathna, D. Jayananda, N. Kularatna, D. Alistair Steyn-Ross, 2017. Potential of Supercapacitors in Novel Power Converters as Semi-ideal Lossless Voltage Droppers. IECON 2017 - 43rd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society [4]. Nguyễn Văn Tân, Trần Mạnh Tuấn, Nguyễn Quang Vinh, Phạm Đức Quang, Nguyễn Văn Hùng, Nguyễn Đức Huy, 2022. Xây dựng mô hình giả lập máy phát đồng bộ dựa trên hệ thống pin mặt trời kết hợp bộ lưu điện. Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, 59, 2A. [5]. A. A. Akhil, et al., 2013. Sandia report 2013 electricity storage handbook in collaboration with nreca. [Online]. Available: www.sandia.gov/ess. [6]. N. Bertrand, J. Sabatier, O. Briat, and J. M. Vinassa, 2010. Embedded fractional nonlinear supercapacitor model and its parametric estimation method. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 57, 12, 3991–4000, 2010, doi: 10.1109/TIE.2010.2076307. [7]. Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2008. Vehicle Power and Propulsion Conference, 2008. VPPC ’08. IEEE: [IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference : September 3-5: Harbin, China]. [8]. J. N. Marie-Francoise, H. Gualous, A. Berthon, 2006. Supercapacitor thermal- and electrical-behaviour modelling using ANN. IEEE Proceedings: Electric Power Applications, 153, 2, 255-262, doi: 10.1049/ip-epa:20050096.