Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật<br />
<br />
<br />
Kỹ thuật<br />
<br />
NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG LAI CỦA NGUỒN PIN<br />
MẶT TRỜI VÀ PIN NHIÊN LIỆU TRONG LƯỚI ĐIỆN NHỎ<br />
RESEARCH CONTROL SYSTEM OF HYBRID SOLAR<br />
AND FUEL CELLS IN MICROGRID<br />
Lê Kim Anh(*)<br />
<br />
TÓM TẮT ABSTRACT<br />
Nghiên cứu sử dụng và khai thác hiệu quả The research on using and exploiting<br />
ngùn pin mặt tr̀i cũng như pin nhiên liệu đ̉ effectively solar cell and fuel cell sources to<br />
phát điện có ý nghĩa thiết thực đến việc giảm generate electricity is meaningful to reduce the<br />
biến đổi kh́ hậu và giảm sự phụ thuộc vào các climate change. They also reduce dependence of<br />
ngùn nhiên liệu hóa thạch có nguy cơ cạn kiệt, power demand on fossil energy sources which<br />
gây ô nhiễm môi trừng. Điều khỉn hệ thống are at risk of both being exhausted and causing<br />
lai c̉a ngùn pin mặt tr̀i và pin nhiên liệu sử environmental pollution. Control hybrid system<br />
dụng các bộ biến đổi điện tử công suất có những for grid connecting of solar cell and fuel cell<br />
ưu đỉm như: Hệ thống nối lứi ch̉ động được sources have some advantages such as active<br />
ngùn nhiên liệu đầu vào, khả năng truyền năng fuel input and capability of power transferring<br />
lượng theo cả 2 hứng. Kết hợp v́i mạch ḷc sẽ in both directions. The combination of harmonic<br />
giảm sóng hài qua lứi và loại trừ các sóng hài ilter circuits to suppress high order harmonics<br />
bậc cao, điều này có ý nghĩa ĺn đến việc cải on the grid will also have a signiical effect on<br />
thiện chất lượng điện năng. Bài báo đã đưa ra power quality improving. The article presents<br />
được kết quả mô ph̉ng điều khỉn hệ thống lai simulation result of control hybrid system of an<br />
cho ngùn pin mặt tr̀i và pin nhiên liệu sử dụng integrated solar cell and fuel cell power system<br />
các bộ biến đổi điện tử công suất, nhằm duy tr̀ using power electronic converters, which<br />
công suất phát tối đa c̉a hệ thống bất chấp tải maintains maximum capacity of the systems<br />
nối v́i hệ thống. with a disregard of connected power loads.<br />
Key words: Control hybrid; renewable<br />
Từ khóa: Điều khiển lai; năng lượng tái<br />
energy; small power sources; distributed<br />
tạo; nguồn công suất nhỏ; nguồn phân tán. generation.<br />
<br />
1. ĐẶT VẤN ĐỀ Các nguồn năng lượng tái tạo có đặc điểm là<br />
Ngày nay, nguồn năng lượng truyền thống trữ lượng lớn nhưng phân bố phân tán không<br />
trên thế giới ngày càng cạn kiệt, đòi hỏi chúng tập trung, cần phải có sự can thiệp của các giải<br />
ta cần tìm kiếm nguồn năng lượng mới để thay pháp kỹ thuật để thu gom chúng, hòa vào lưới<br />
thế dần các nguồn năng lượng truyền thống. Các điện thống nhất và quản lý giám sát điện năng<br />
nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng gió, một cách linh hoạt, đảm duy trì sự cân bằng giữa<br />
năng lượng mặt trời, năng lượng địa nhiệt,... là cung và cầu. Tuy nhiên, để khai thác, sử dụng<br />
một giải pháp bù đắp sự thiếu hụt của điện năng. nguồn năng lượng mặt trời và nguồn pin nhiên<br />
(*)<br />
Trừng Cao đẳng Công nghiệp Tuy Hòa<br />
<br />
<br />
118<br />
Nghiên cứu điều khiển hệ thống lai . . .<br />
<br />
<br />
liệu sao cho hiệu quả, giảm phát thải các chất 2. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG<br />
gây ô nhiễm môi trường, đặc biệt là khí (CO2) SUẤT<br />
đang là mục tiêu nghiên cứu của nhiều quốc gia. Hệ thống điều khiển nối lưới các nguồn điện<br />
Bộ biến đổi 2 trạng thái DC/DC tạo ra điện áp phân tán (Distributed Energy Resources – DER)<br />
một chiều (DC) được điều chỉnh để cung cấp cho<br />
nói chung và nguồn pin mặt trời kết hợp với<br />
các tải thay đổi, bộ nghịch lưu (DC/AC) phía<br />
nguồn pin nhiên liệu nói riêng. Theo [1], nguồn<br />
lưới nhằm giữ ổn định điện áp, đồng thời đưa ra<br />
pin mặt trời (Photovoltaic cell) kết hợp với nguồn<br />
điện áp (AC) nối lưới. Các bộ biến đổi điện tử<br />
pin nhiên liệu màng trao đổi proton (Proton<br />
công suất giữ vai trò rất quan trọng trong các hệ<br />
thống điều khiển năng lượng tái tạo (Renewable Exchange Membrane Fuel Cells – PEMFC), hệ<br />
Energy sources - RES). Hệ thống điều khiển lai thống bao gồm các thành phần cơ bản, như hình 1.<br />
cho nguồn pin mặt trời và pin nhiên liệu sử dụng Các bộ biến đổi điện tử công suất thực hiện nhiệm<br />
các bộ biến đổi điện tử công suất, nhằm hướng vụ như sau: Nguồn pin mặt trời và pin nhiên liệu<br />
đến phát triển lưới điện thông minh và điều điều cho ra điện áp một chiều (DC), tất cả các điện<br />
khiển linh hoạt các nguồn năng lượng tái tạo. áp một chiều (DC) này qua bộ nghịch lưu (DC/<br />
AC) đưa ra điện áp (AC) nối lưới.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 1. Sơ đồ điều khiển hệ thống lai của nguồn pin mặt trời và pin nhiên liệu<br />
<br />
2.1. Bộ biến đổi 2 trạng thái DC/DC tin cậy, do điện áp ở đầu ra của pin mặt trời và<br />
Mục đích của bộ biến đổi 2 trạng thái DC/ pin nhiên liệu không đủ lớn để có thể cung cấp<br />
DC là tạo ra điện áp một chiều (DC) được điều cho đầu vào của bộ nghịch lưu (DC/AC). Do đó<br />
chỉnh để cung cấp cho các tải thay đổi, bộ biến ta phải sử dụng bộ biến đổi 2 trạng thái DC/DC<br />
đổi 2 trạng thái DC/DC giữ vai trò rất quan để nâng điện áp đầu ra đạt yêu cầu. Theo [2],<br />
trọng trong các hệ thống điều khiển năng lượng bộ biến đổi 2 trạng thái DC/DC (Buck – Boots<br />
tái tạo (Renewable Energy sources - RES). Để Converter) như hình 2, với giản đồ xung đóng<br />
ổn định điện áp đầu ra cho bộ biến đổi thì đòi ngắt như hình 3.<br />
hỏi các bộ điều khiển phải hoạt động một cách<br />
<br />
119<br />
Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 2. Sơ đồ bộ biến đổi DC/DC Hình 3. Giản đồ xung đóng ngắt của bộ biến đổi<br />
DC/DC<br />
2.1.1. Khi Switch ở trạng thái đóng<br />
Ta xét trong khoảng thời gian t = 0 đến t = DT, điện áp trên cuôn dây L là Ui. Khi đó công suất<br />
trên cuộn dây L được tính như sau:<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Với điều kiện dòng qua cuộn dây L là hằng số, công suất qua cuộn dây L được viết lại như sau:<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
2.1.2. Khi Switch ở trạng thái ngắt<br />
Ta thấy năng lượng trên cuộn dây L bắt đầu xả ra, Diode bắt đầu dẫn điện áp trên cuộn dây L<br />
cung cấp cho tải U0. Khi đó ta có công suất trên tải:<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Với điều kiện lý tưởng thì U0 và IL là hằng số lúc đó công suất đầu ra được viết lại như sau:<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Từ phương trình (2) và (4) ta viết lại như sau:<br />
<br />
<br />
<br />
(5)<br />
Điện áp sau khi qua bộ biến đổi công suất sẽ tăng lên, nhờ bộ điều khiển xung kích ta có thể điều chỉnh<br />
điện áp ra mong muốn bằng việc điều chỉnh D.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
120<br />
Nghiên cứu điều khiển hệ thống lai . . .<br />
<br />
<br />
2.2. Bộ nghịch lưu (DC/AC)<br />
Việc nghiên cứu các bộ nghịch lưu bằng các phương pháp điều chế theo độ rộng xung (Pulse<br />
Width Modulation - PWM) hoặc điều chế theo vectơ không gian (Space Vector Modulation) được<br />
nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu trong những năm gần đây với những ưu điểm vượt trội như:<br />
khả năng truyền năng lượng theo cả 2 hướng, với góc điều khiển thay đổi được, dung lượng sóng hài<br />
thấp..v.v.<br />
2.2.1. Mô hình toán học cho bộ nghịch lưu<br />
Theo [3], bộ nghịch lưu dùng để biến đổi điện áp môt chiều thành điện áp xoay chiều ba pha có<br />
thể thay đổi được tần số nhờ việc thay đổi qui luật đóng cắt của các van, như hình 4.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 4. Sơ đồ điều khiển bộ nghịch lưu Hình 5. Giản đồ xung đóng ngắt bộ nghịch lưu<br />
<br />
Ta giả thiết tải 3 pha đối xứng nên điện áp:<br />
<br />
<br />
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<br />
tính như sau:<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Thay biểu thức (8) vào biểu thức (7) ta có phương trình điện áp ở mỗi pha của tải như sau:<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
121<br />
Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Điện áp dây trên tải được tính như sau:<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
2.2.2. Cấu trúc điều khiển cho bộ nghịch lưu<br />
Theo [4], giá trị đầu ra của điện áp qua bộ chỉnh lưu và bộ nghịch lưu, chuyển sang hệ tọa độ dq<br />
được xác định như sau:<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 6. Điều khiển cho 2 mạch vòng dòng điện Hình 7. Điều khiển mạch vòng trong của dòng điện<br />
2.3. Phương pháp điều khiển bám điểm thuật điều khiển đều có những ưu và nhược<br />
công suất cực đại điểm khác nhau.<br />
Hiện nay có nhiều kỹ thuật để điều khiển Theo [5], Các kỹ thuật này có thể phân thành<br />
tuabin gió và pin nhiên liệu theo phương 2 nhóm chính như sau: kỹ thuật tìm kiếm và kỹ<br />
pháp bám điểm công suất cực đại ( Maximum thuật tìm kiếm dựa trên mô hình. Ở kỹ thuật tìm<br />
Point Power Tracking, MPPT). Ở mỗi kỹ kiếm dễ thực hiện nhưng đòi hỏi một số bước<br />
<br />
122<br />
Nghiên cứu điều khiển hệ thống lai . . .<br />
<br />
<br />
lớn mới hội tụ được điểm cực đại (Maximum mô hình. Hình 8, lưu đồ thuật toán P&O điều<br />
Point Power, MPP) trong khi đó sẽ hội tụ rất khiển trực tiếp theo phương pháp MPPT.<br />
nhanh điểm MPP với kỹ thuật tìm kiếm dựa trên<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 8. Lưu đồ thuật toán P& O điều khiển trực tiếp theo phương pháp MPPT<br />
<br />
3. MÔ HÌNH NGUỒN PIN MẶT TRỜI VÀ PIN NHIÊN LIỆU<br />
3.1. Mô hình pin mặt trời (PV)<br />
* Theo quan điểm năng lượng điện tử, thì pin mặt trời PV (Photovoltaic cell) có thể được coi là<br />
như những nguồn dòng biểu diễn mối quan hệ phi tuyến I-V như hình 9.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 9. Đặc tính làm việc của pin mặt trời Hình 10. Sơ đồ tương đương của pin mặt trời<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
123<br />
Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật<br />
<br />
Hiệu suất của tấm pin mặt trời đạt giá trị cực đại MPP (Maximum Point Power). Hệ bám<br />
lớn nhất khi pin mặt trời cung cấp công suất điểm công suất cực đại MPPT (Maximum Point<br />
cực đại. Theo đặc tính phi tuyến trên hình 8 thì Power Tracking) được sử dụng để đảm bảo rằng<br />
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<br />
Pmax tại thời điểm (Imax,Vmax) được gọi là điểm chấp tải được nối vào pin.<br />
<br />
3.2. Mô hình toán học pin mặt trời (PV)<br />
* Dòng điện đầu ra của pin theo [6], được tính như sau:<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Trong đó:<br />
q: điện tích electron = 1.6 x10-19 C, k: hằng số Boltzmann’s = 1.38 x10-23J/K, Is:là dòng điện bão<br />
hòa của pin, Iph: là dòng quang điện, Tc: nhiệt độ làm việc của pin, Rsh : điện trở shunt, Rs : điện trở<br />
của pin, A: hệ số lý tưởng.<br />
Theo biểu thức (13) dòng quang điện phụ thuộc vào năng lượng mặt trời và nhiệt độ làm việc của<br />
pin do đó:<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Với: Isc: là dòng ngắn mạch ở nhiệt độ 250C, KI: hệ số nhiệt độ của dòng điện ngắn mạch, Tref:<br />
nhiệt độ của bề mặt pin (nhiệt độ tham chiếu), H: bức xạ của mặt trời kW/m2.<br />
Ở đây giá trị dòng điện bão hòa của pin với nhiệt độ của pin được tính như sau:<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Trong đó:<br />
IRS: là dòng bão hòa ngược ở bề mặt nhiệt độ và bức xạ của mặt trời, EG: năng lượng vùng cấp của<br />
chất bán dẫn, phụ thuộc vào hệ số lý trưởng và công nghệ làm pin.<br />
Mặt khác một pin mặt trời có điện áp khoảng 0,6V, do đó muốn có điện áp làm việc cao thì ta mắc<br />
nối tiếp các pin, muốn có dòng điện lớn thì mắc song song, như hình 11.<br />
Vậy dòng điện một modul tấm pin sẽ là:<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
124<br />
Nghiên cứu điều khiển hệ thống lai . . .<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 11. Dòng điện 1 modul tấm pin<br />
<br />
Từ các biểu thức (13), (14), (15), (16) đã phân tích ở trên, mô hình pin mặt trời được xây dựng<br />
trên Matlab/Simulink với các ngõ vào là dòng điện, nhiệt độ. Ngõ ra là công suất và điện áp của pin,<br />
như hình 12.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 12. Mô hình pin mặt trời<br />
<br />
3.3. Mô hình pin nhiên liệu (FC)<br />
* Dựa vào mối quan hệ giữa điện áp đầu ra và áp suất riêng phần của hydro, oxy và nước theo<br />
[7], mô hình pin nhiên liệu màng trao đổi proton – PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell)<br />
được tính như sau:<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Trong đó: qH 2 : dòngchảy đầu vào của hydro (kmol/s); pH 2 : áp suất riêng phần của hydro (atm); Kan:<br />
hằng số van anốt ; M H 2 : khối lượng phân tử hydro (kg/kmol); K H 2 : hằng số phân tử van<br />
hydro [kmol/(atm.s)]. Đối với dòng chảy hydro phân tử, có ba yếu tố quan trọng: dòng chảy đầu vào hydro, dòng<br />
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:<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
125<br />
Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật<br />
<br />
<br />
Trong đó T: nhiệt độ tuyệt đối (K); Van: thể tích anốt (m3); qHin 2 :dòng chảy đầu vào hydro (kmol/s); qHout2<br />
r r<br />
:dòng chảy đầu ra hydro (kmol/s); qH 2 :dòng chảy hydro trong phản ứng (kmol/s). Biểu thức (19) qH 2 được tính<br />
như sau:<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Với: N0:số lượng của pin nhiên liệu trong ngăn xếp; NS: số ngăn xếp được sử dụng trong nhà máy điện; IFC:<br />
dòng điện pin nhiên liệu (A); Kr: hằng số mô hình [kmol/(s.A)]; F: hằng số Faraday (C/kmol). Từ biểu<br />
thức (17),(20) ta biến đổi Laplace, áp suất hydro được viết lại như sau:<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Với: τ H 2 : hằng số thời gian của hydro (s) và<br />
<br />
Điện áp của hệ thống pin nhiên liệu được tính như sau: Vcell=E+ηact+ηohmic (22)<br />
ở đây:<br />
và<br />
<br />
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<br />
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<br />
áp đầu ra của hệ thống pin nhiên liệu (V)<br />
Theo [8] điện áp tức thời được xác định như sau:<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Trong đó: E0: điện áp chuẩn khi không tải (V); PO2: áp suất riêng phần của oxy (atm)<br />
PH2O: áp suất riêng phần của nước (atm). Hệ thống pin nhiên liệu tiêu thụ lượng khí hydro theo<br />
nhu cầu của phụ tải điện. Theo [9] lượng khí hydro có sẵn từ thùng chứa hydro được tính như sau:<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Trong đó:<br />
qHreq2 : số lượng khí hydro cần thiết để đáp ứng sự thay đổi tải (kmol/s); U: hệ số sử dụng, tùy thuộc vào<br />
cấu hình hệ thống pin nhiên liệu, dòng chảy của khí hydro và oxy. Dựa vào các biểu thức đã phân tích ở<br />
mô hình pin nhiên liệu, mục 3.2. Mô hình được xây dựng trên Matlab/Simulink, như hình 13.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
126<br />
Nghiên cứu điều khiển hệ thống lai . . .<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 13. Mô hình pin nhiên liệu<br />
<br />
<br />
4. XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB - SIMULINK<br />
4.1. Xây dựng mô hình trên matlab - simulink<br />
Mô hình ứng dụng các bộ biến đổi điện tử công suất trong điều khiển nối lưới cho nguồn pin mặt<br />
trời và pin nhiên liệu được xây dựng trên matlab – simulink, như hình 14.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 14. Sơ đồ điều khiển lai của nguồn pin mặt trời và pin nhiên liệu<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
127<br />
Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật<br />
<br />
4.2. Kết quả mô phỏng trên matlab - simulink<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
128<br />
Nghiên cứu điều khiển hệ thống lai . . .<br />
<br />
<br />
5. KẾT LUẬN và hệ thống điều khiển luôn làm việc ổn định.<br />
Hệ thống điều khiển lai sử dụng các bộ Mô hình nối lưới được thông qua máy biến áp<br />
biến đổi điện tử công suất trong điều khiển cho 400V/22kV và đường dây tải điện. Hệ thống<br />
nguồn pin mặt trời và pin nhiên liệu trong lưới điều khiển lai cho nguồn pin mặt trời và pin<br />
điện nhỏ, kết hợp với giải thuật điều khiển bám nhiên liệu trong lưới điện nhỏ, ứng dụng các<br />
điểm công suất cực đại (MPPT), đã phát huy bộ biến đổi điện tử công suất nhằm hướng đến<br />
đối đa công suất phát ra của hệ thống, đồng thời việc phát triển lưới điện thông minh và điều<br />
công suất pin mặt trời (PV) thu được luôn đạt khiển nối lưới linh hoạt cho các nguồn năng<br />
giá trị cực đại. Tại thời điểm t = 0.02s đóng tải, lượng tái tạo.<br />
dòng điện và điện áp đầu ra luôn bằng giá trị đặt<br />
<br />
TÀI LIỆU THAM KHẢO hệ thống lai c̉a tuabin gió và ngùn pin nhiên<br />
[1]. Lê Kim Anh, 2013. Ứng dụng các bộ biến liệu. Năng lượng Việt Nam 2016, số 130 tr.63-71.<br />
đổi điện tử công suất trong điều khỉn nối lứi [6]. Lê Kim Anh, Võ Như Tiến, Đặng Ngọc<br />
các ngùn phân tán. Tạp chí khoa học,Trường Huy, 2012. Mô h̀nh điều khỉn nối lứi cho<br />
đại học Cần Thơ, số 28,1-8. ngùn điện mặt tr̀i.Tạp chí khoa học và công<br />
[2]. Bengt, Johansson, 2003. Improved nghệ, Đại Học Đà Nẵng, Số 11(60), 1-6.<br />
Models for DC-DC Converters. Department [7]. Lê Kim Anh, 2012. Xây dựng mô h̀nh điều<br />
of Industrial Electrical Engineering and khỉn nối lứi sử dụng ngùn pin nhiên liệu.Tạp<br />
Automation Lund University. chí khoa học và công nghệ, Đại học công nghiệp<br />
[3]. Nguyễn, Văn Nhờ. Điện tử công suất. Hà Nội, số 12.<br />
Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại Học Bách [8]. M. Hashem Nehrir, Caisheng Wang, 2009.<br />
Khoa TP. Hồ Chí Minh. Modeling and control of fuel cells. Books in the<br />
[4]. Lê Kim Anh, 2013. Ứng dụng các bộ biến IEEE press series on power engineering.<br />
đổi điện tử công suất trong điều kiện nối lứi [9]. M.Y. El-Sharkh, A. Rahman, M.S. Alam,<br />
cho tuabin gió và ngùn pin mặt tr̀i. Tạp chí et al, 2004. Adynamic model for a stand-alone<br />
Kinh tế Kỹ thuật, Trường đại học Kinh tế Kỹ PEM fuel cell power plant for residential<br />
thuật Bình Dương, số 3 (T9), 57-68. applications. Journal of Power Sources 138, 199<br />
[5]. Lê Kim Anh, 2016. Điều khỉn nối lứi cho – 204.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
129<br />