Điều khiển tần số điện áp lưới điện nhỏ hiệu quả: Phương pháp hệ thống lai ghép pin mặt trời, bộ lưu điện, siêu tụ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 101

PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ ĐIỆN ÁP TRONG LƯỚI ĐIỆN NHỎ

THÔNG QUA HỆ THỐNG LAI GHÉP PIN MẶT TRỜI VÀ BỘ LƯU ĐIỆN

CÓ SỰ HỖ TRỢ CỦA SIÊU TỤ

THE METHOD OF CONTROLLING THE VOLTAGE FREQUENCY IN A SMALL

GRID THROUGH A SOLAR CELL HYBRID SYSTEM AND A BATTERY STORAGE

SYSTEM WITH THE SUPPORT OF THE SUPERCAPACITOR

Hoàng Văn Hoàn1,*, Trịnh Thùy Dương1, Vũ Đức Mạnh1,

Nguyễn Thế Tú1, Nguyễn Văn Hùng2

1Lớp Điện 04 - K16, Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

2Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

*Email: hoandui2003@gmail.com

TÓM TẮT

Hiện nay sự kết hợp giữa nguồn lai ghép pin mặt trời và bộ lưu điện cùng với các phụ tải địa phương hình thành lưới

điện nhỏ vận hành độc lập trở lên rất phổ biến. Tuy nhiên, các bộ lưu điện truyền thống bị giới hạn về tốc độ sạc xả, do

vậy làm giảm tốc độ đáp ứng khi xảy ra các biến động lớn về mặt công suất. Bài báo đề xuất một mô hình xét tới sự tham

gia của siêu tụ điện để gia tăng đáp ứng tần số và giữ ổn định điện áp cùng với chiến lược điều khiển dựa trên việc kết hợp

giữa ưu điểm về dung lượng của bộ lưu điện truyền thống và tốc độ đáp ứng nhanh của siêu tụ điện. Để thấy rõ hiệu quả

của chiến lược đề xuất bài báo đã tiến hành mô phỏng và phân tích kết quả trên công cụ Matlab/Simulink.

Từ khóa: Pin mặt trời, bộ lưu điện, siêu tụ điện, đáp ứng tần số, lưới điện nhỏ.

ABSTRACT

Currently, the combination of solar systems and battery energy storage systems along with local loads to form a

microgrid operating independently is very popular. However, traditional battery energy storage systems are limited in

charging and discharging speeds, thus reducing the response rate when large fluctuations in power occur. This paper

proposes a model that considers the involvement of supercapacitors to increase frequency response and keep the voltage

stable with a control strategy based on the combination of the advantages of traditional battery energy storage systems and

the fast response speed of supercapacitors. To clearly see the effectiveness of the proposed strategy the paper also simulates

and analyzes the results on the Matlab/Simulink tool.

Key words: Photovoltaic, battery energy storage systems, supercapacitors, frequency response, microgrid.

1. GIỚI THIỆU

Ngày nay, việc sử dụng kết hợp các nguồn lai ghép pin

mặt trời và bộ lưu điện (PV - BESS) tạo nên lưới điện nhỏ

hoạt động độc lập với các phụ tải địa phương đã trở thành

một xu hướng với nhiều lí do. Một trong số những lí do đó

đến từ việc phụ tải được cấp điện liên tục và có độ tin cậy

cấp điện cao [1]. Với khả năng lưu trữ lớn của bộ lưu điện

khi kết hợp với pin quang điện hoạt động ở chế độ tách đảo

giúp cân bằng công suất phụ tải khi xảy ra biến động công

suất trong lưới điện nhỏ [2 - 4]. Tuy nhiên, sự hạn chế về

tốc độ sạc xả của bộ lưu điện truyền thống đã làm cho tốc

độ đáp ứng tần số và duy trì điện áp lưới điện suy giảm. Vì

vậy đòi hỏi phải thay thế bằng một mô hình hệ thống lưu

trữ năng lượng lớn và gia tăng tốc độ đáp ứng khi xảy ra

tình huống bất thường trên lưới hệ thống. Để khắc phục

nhược điểm của hệ thống lưu trữ năng lượng cũ thì mô hình

lai ghép siêu tụ điện cùng với bộ lưu điện (HESS) có thể

giải quyết được nhược điểm này [5-7]. Hệ thống lưu trữ

năng lượng đề xuất nhờ có siêu tụ điện với mật độ năng

lượng lớn và tốc độ sạc, xả nhanh chóng đã cải thiện đáng

kể các sai lệch tần số và điện áp trong lưới điện. Do đó,

nhóm nghiên cứu tiến hành lai ghép hệ thống pin mặt trời

và hệ thống lưu trữ năng lượng đề xuất (PV - HESS) dựa

trên những nghiên cứu đã được công bố [8-11]. Tuy nhiên,

các công bố này chưa làm rõ được ảnh hưởng siêu tụ điện

tới hệ thống khi giá trị bức xạ mặt trời thay đổi hay có sự

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 102biến động lớn về mặt công suất phụ tải. Vậy nên, bài báo

dựa trên mô hình đề xuất đã tiến hành đưa ra các kịch bản

nhằm chứng minh sự hiệu quả vận hành độc lập của mô

hình xét tới ảnh hưởng tích cực của siêu tụ điện. Khi thay

đổi bức xạ mặt trời làm mất cân bằng công suất phát của

các nguồn phân tán với công suất của tải tiêu thụ hoặc công

suất phụ tải tăng lên trong giờ cao điểm làm ảnh hưởng đến

chất lượng điện năng. Quá trình mô phỏng và đánh giá kết

quả được thực hiện trên công cụ Matlab/Simulink.

2. MÔ HÌNH HỆ THỐNG LAI GHÉP PV - HESS

Mô hình là sự kết hợp giữa pin quang điện (PV) lai ghép

với một mô hình HESS được trình bày trong hình 1. PV kết

nối với liên kết một chiều (DC bus) thông qua bộ chuyển

đổi tăng áp cùng với đó HESS cũng được kết nối với liên

kết DC thông qua bộ chuyển đổi DC/DC hai chiều cho phép

sạc và xả linh hoạt [8, 12].

Hình 1. Mô hình hệ thống PV – HESS

Mô hình hóa pin quang điện

Trong nghiên cứu này mô hình pin quang điện được sử

dụng bao gồm các module được kết nối nối tiếp (NSS) và

một chuỗi các module này được kết nối song song (NPP)

lại với nhau tạo nên mảng pin quang điện (PV array). Mạch

điện tương đương của module PV được minh họa như trong

hình 2.

Hình 2. Mô hình toán học của module PV

Mô hình toán học của module PV được tính toán thông

qua phương trình [13].

 

( 298)

100

pv sc i

I I K T   (1)

Với Ipv ở điều kiện danh định (25oC và 1000 W/m2).

exp( / ) 1

IqVoc I Tnk

 (2)

Trong đó q = 1,6.10-19 C và k = 1,3805.10-23 J/K.

1 1

[ ] exp[ ( )]

r r

I I T k n T T

  (3)

Trong đó Tr = 298 K và Ego = 1,1 eV.

tTk

 (4)

p s s

VN N IR



 (5)

/ /

[exp( ) 1]

s s p

p ph sh p t

V N IR N

I N I I N I V n



    (6)

Đường đặc tính của module PV với nhiệt độ xác định

(25oC) và bức xạ thay đổi được thể hiện trong hình 3, 4.

Hình 3. Đường đặc tính V – I của PV

Hình 4. Đường đặc tính công suất của PV

Công suất phát ra của module PV được tối đa hóa nhờ

thuật toán P&O để tìm điểm làm việc trên đường đặc tính

cho ra công suất tối đa (MPP).

Mô hình hóa bộ lưu điện

Bộ lưu điện sử dụng công nghệ pin Lithium – Ion được

ưa chuộng và sử dụng phổ biến trong hệ thống HESS mang

lại hiệu quả lưu trữ lớn [13]. Với mô hình HESS bộ lưu điện

được nối với liên kết DC thông qua bộ biến đổi DC/DC hai

chiều tối ưu sạc - xả khi lai ghép với pin quang điện. Mô

hình toán học của bộ lưu điện là một mạch điện tương

đương thời gian để mô tả tuổi thọ, dung lượng, trạng thái

sạc xả (SOC) và thời gian hoạt động của bộ lưu điện được

thể hiện qua hình 5.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 103

Hình 5. Mô hình toán học của bộ lưu điện

Mô hình sạc được thể hiện theo phương trình:

1 0

( , , ) exp( )

0.1

t l l t t

t t

Q Q

f i i i E K i K i A Bi

Q i Q i

    

 

(7)

Mô hình xả được thể hiện theo phương trình:

2 0

( , , ) exp( )

t l l t t

t t

Q Q

f i i i E K i K i A Bi

Q i Q i

    

  (8)

SOC và hiệu suất của pin khi sạc và xả được định nghĩa

theo:

( 1) ( )

( ) 1

( 1) ( )

ch bat ch

ch dis t

dis bat dis

SOC t i t dt

SOC t

SOC t i t dt



 





 







(9)

Đường đặc tính của pin Lithium – Ion được minh họa ở

hình 6, 7.

Hình 6. Đường đặc tính V - I của bộ lưu điện

Hình 7. Đường đặc tính dung lượng bộ lưu điện với dòng xả danh

định

Mô hình hóa siêu tụ điện

Mô hình toán của siêu tụ điện thường sử dụng các phần

tử thụ động như điện trở và tụ điện bao gồm [14]: Rp và C0,

điện trở nối tiếp và điện trở tế bào được thay thế bằng điện

trở RESR và các phần tử Rs, Rss, Css để đặc trưng cho sự phóng

điện và đặc tính quá độ của siêu tụ điện. Mô hình được mô

tả một cách tương đối theo hình 8.

Hình 8. Mô hình toán học của siêu tụ điện

Cấu trúc vật lý, phản ứng hóa học và phân bố dòng điện

bên trong tụ điện có thể được mô hình hóa thông qua các

biểu thức toán học. Mô hình toán học dựa trên các phương

trình vi phân, tích phân cụ thể được trình bày như sau:

Phương trình toán học mô tả hai chế độ sạc và xả của

siêu tụ điện [15].

( )

arg arg esr arg 1leak complet

R C

ch e ch e ch e leak

V I R I R e





 

 

     

 

 

(10)

arg arg arg esr

( )

arg 1 arg

( ) 1







  

 

 

    

 

 

leak complet

disch e ch e disch e

R C

disch e disch e leak

V V I R

V I R e (11)

Trong đó:

Vchage/Vdischage là giá trị điện áp sạc/xả (V)

Ichage/Idischage là giá trị dòng sạc/xả (A)

RESR là điện trở nối tiếp tương đương (Ω)

Rleak là cao trở bên trong (Ω)

Ccomplet là giá trị điện dung (F)

t là thời gian (s)

Giá trị Rleak, Ccomplet, RESR và R là hàm của điều kiện môi

trường xung quanh, tuổi thọ, điện áp danh định, độ ẩm, ….

Giá trị điện dung của siêu tụ điện được tính bằng công

thức:

( ) (%)

complet cycle life

C C F C 

  (12)

Với tuổi thọ của siêu tụ điện được trình bày như sau:

( )

(%) 100

ref

T T

cycle life

V V

C N H





 

    

 

 

(13)

Trong đó:

α là hệ số gia tốc

T là nhiệt độ hoạt động (K)

Tref là nhiệt độ hoạt động tham chiếu (K)

N là số chu kì được sử dụng

V là dải điện áp (V)

Vc là điện áp danh định (V)

H là phần trăm độ ẩm môi trường xung quanh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 104Điện trở dòng tương đương (ESR) là một hàm của nhiệt

độ và kích thước siêu tụ điện. RESR tăng khi nhiệt độ giảm

do đó, khi hiệu siêu tụ điện làm việc ở nhiệt độ thấp hiệu

suất phóng điện của nó giảm đi. Phương trình RESR được

xây dựng là.

 

esr 1 esr0

2 esr0





 

  

 

 

     

  

tref

ref

KT T

R b R T T

b R e

(14)

Trong đó

T0 = 293K

γ = 0,07K-1 là hệ số nhiệt độ của các thành phần nhôm

và cacbon tổng hợp

kT = 0,045K-1 là thành phần năng lượng kích hoạt ion

tổng hợp

RESR0 là điện trở nối tiếp lý thuyết.

Đường đặc tính V - I của siêu tụ được thể hiện trong

hình 9.

Hình 9. Đường đặc tính V – I của siêu tụ điện

3. MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ

Hình 12. Mô hình đề xuất lưới hệ thống

Kịch bản mô phỏng dựa trên lưới điện nhỏ cụ thể để

đánh giá kết quả của mô hình hệ thống lai ghép PV – HESS

cho thấy sự hiệu quả khi kết hợp siêu tụ điện cùng với bộ

lưu điện tạo nên hệ thống HESS vận hành trong lưới điện

nhỏ ổn định. Kịch bản cụ thể mô phỏng tương đương thời

gian thực với các điều kiện như bức xạ mặt trời thay đổi,

thay đổi công suất phụ tải của lưới điện. Mỗi kịch bản đều

tiến hành so sánh mô hình khi có sự tham gia của siêu tụ

điện và khi không có sự tham gia của siêu tụ điện để thấy

rõ sự ảnh hưởng của siêu tụ điện đối với mô hình đề xuất.

Sơ đồ nghiên cứu được trình bày trong hình 12 xây dựng và

mô phỏng dựa trên công cụ Matlab/Simulink. Thông số các

phần tử mô phỏng cho trong bảng 1.

Bảng 1. Thông số mô phỏng

Array

Thông số Giá trị

Số chuỗi song song 59 chuỗi

Số tấm nối tiếp 10 tấm

Công suất cực đại 130095W

Điện áp MPP 300V

Dòng điện MPP 433,65A

Module

Công suất cực đại 220,5W

Điện áp hở mạch 36,3V

Dòng điện ngắn mạch 7,84A

Điện áp MPP 30V

Dòng điện MPP 7,35A

Phụ tải 1 Công suất 50+20j kVA

HESS

Bộ lưu

điện

Thông số Giá trị

Điện áp danh định 500V

Dòng xả danh định 700A

Dung lượng 1610Ah

SOC 90%

Siêu tụ

điện

Điện dung danh định 20F

Điện áp danh định 600V

Điện áp ban đầu 540V

Số tụ nối tiếp 1

Số tụ song song 1

Nhiệt độ hoạt động 25

Phụ tải 2

Công suất 160+10jkVA

Quá trình mô phỏng diễn ra trong thời gian 28s khi lưới

điện nhỏ vận hành độc lập ở chế độ giữ lưới có đường đặc

tính giá trị bức xạ mặt trời theo hình 13. Tại thời điểm 6s

phụ tải 2 được đưa vào lưới hệ thống, tổng công suất tiêu

thụ tăng lên đòi hỏi công suất phát của các nguồn DG phải

bù đắp lượng công suất thiếu hụt. Thời điểm 8s bức xạ mặt

trời thay đổi công suất phát PV tăng lên đồng thời công suất

HESS phải giảm xuống. Tại thời điểm 12s sa thải phụ tải 2

và giảm công suất phụ tải 1 còn 20 + 10j kVA khi đó HESS

được sạc nhờ lượng công suất dư thừa của PV. Đến thời

điểm 16s tăng công suất phụ tải 1 đồng thời trước đó 15s

bức xạ mặt trời giảm xuống công suất phát PV đạt 77kW

cân bằng công suất phụ tải 1 khi đó HESS ngưng phát công

suất để đảm bảo ổn định tần số và điện áp lưới điện. Thời

điểm 24s toàn bộ phụ tải được hoạt động trong điều kiện

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 105bức xạ mặt trời Ir = 0 W/m2 đồng nghĩa công suất Ppv = 0

kW khi đó HESS hoạt động với công suất tối đa để đảm bảo

độ tin cậy cấp điện cho toàn bộ phụ tải. Nhận thấy khi áp

dụng mô hình HESS lai ghép với PV đã đem lại hiệu quả

vận hành linh hoạt đáp ứng công suất nhanh, giữ ổn định

được tần số và duy trì điện áp lưới.

Hình 13. Đường đặc tính giá trị bức xạ mặt trời

Hình 14. Công suất phát của PV – HESS và công suất tiêu thụ

Hình 15. Công suất phát của PV – BESS và công suất tiêu thụ

Hình 16. Tần số khi đưa phụ tải 2 vào lưới hệ thống

Hình 17. Tần số khi sa thải phụ tải 2 và giảm công suất phụ tải 1

Hình 18. Tần số thời điểm công suất PV cân bằng công suất phụ

tải