Các thông số mạng điện luôn được kiểm soát để làm cơ sở cho điều khiển và tự động hóa mạng điện

TỐI ƯU HÓA CẤU TRÚC VÀ QUẢN LÝ VẬN HÀNH MẠNG ĐIỆN TÒA NHÀ SỬ DỤNG NGUỒN LAI G-PVA

Ngô Đức Minh^*, Đỗ Trung Hải Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - ĐH Thái Nguyên

TÓM TẮT

Hiện tại, các nguồn điện sử dụng năng lượng tái tạo đang phát triển mạnh mẽ trong hệ thống điện, điển hình là pin quang điện. Việc lắp đặt nguồn pin quang điện trên các tòa nhà lớn sẽ mang lại hiệu quả kinh tế và kỹ thuật cao, tuy nhiên cũng gặp phải nhiều khó khăn do phụ thuộc điều kiện thực tế, công cụ tính toán, phân tích lưới còn nhiều hạn chế. Bài báo đề xuất cách thức lựa chọn cấu trúc tối ưu cho mạng điện lai G-PVA cấp điện cho tòa nhà trên cơ sở dữ liệu thực, bao gồm: Các diện tích lắp đặt, vĩ độ, kinh độ, các góc phương vị, cấu hình PV-Inverter; Đặc điểm hộ phụ tải và hiện trạng lưới điện tòa nhà,V.V. Các nghiên cứu có sử dụng phần mềm ETAP đảm bảo cho việc mô hình hóa mô phỏng mạng điện chính xác, tin cậy, thiết bị được lựa chọn theo chuẩn quốc tế. Các thông số mạng điện luôn được kiểm soát để làm cơ sở cho điều khiển và tự động hóa mạng điện.

Từ khóa: G-PVA, mạng điện tòa nhà, PV-Inverter, PVA, phân bố công suất

GIỚI THIỆU CHUNG^*

Ngày nay, các nguồn phân tán đang được phát triển mạnh trong lưới điện phân phối (Power Distribution Grid), lưới điện thông minh (Smar Grid), [4,5]. Đặc biệt, với các loại nguồn sử dụng năng lượng tái tạo tại chỗ như pin quang điện (PV) đang được khuyến khích khai thác triệt để với giải công suất nhỏ. Các PV Array (PVA) được lắp đặt trực tiếp trên các tòa nhà, căn hộ, V.V, như mô tả trên hình 1, [4,5].

Hình 1. Nguồn PVA trong mạng điện tòa nhà Trước đây, những mô hình khai thác nguồn phân tán kiểu này chưa được phát triển bởi những lý do chính sau:

- Sản phẩm PV chưa đáp ứng được các yêu cầu thực tế cả về chất lượng và giá thành;

- Chưa có sự kết hợp thỏa đáng của các bộ biến đổi điện tử (Converter) nhằm đảm bảo chất lượng điện năng và kết nối lưới linh hoạt.

*Tel: 0982 286428, Email: ngoducminh@tnut.edu.vn

Ngày nay, những yếu điểm trên đã được giải quyết thỏa đáng, cả về nghiên cứu lý thuyết và thực thực tiễn. Mục tiêu bài báo này nghiên cứu các giải pháp nhằm đề xuất được cấu trúc linh hoạt (Flexible) cho mạng điện kết hợp giữa nguồn lưới (G) và nguồn pin mặt trời (PVA) hình thành hệ nguồn lai (G-PVA) áp dụng cung cấp điện cho các tòa nhà.

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Đặc điểm phát điện nguồn PVA, Mô hình hóa mô phỏng mạng điện bằng phần mềm ETAP kiết suất dữ liệu cho xây dựng và tối ưu hóa cấu trúc cấu trúc mạng điện, làm cơ sở cho điều khiển và tự động hóa hệ thống.

Đặc điểm nguồn pin quang điện (PV) PV là thiết bị chuyển đổi năng lượng của bức xạ mặt trời (BXMT) thành điện năng. Một tế bào PV cell hay một PVA có thể được mô tả bằng mô hình vật lý và sơ đồ mạch điện thay thế như trên hình 2, [2].

Hình 2. Mô hình PV và các phương trình đặc trưng (1), (2):

p d

SC I I I

I   

(1)

0

( )

exp ^S 1 ^S

SC

P

q V IR V IR

I I I

kT R

     

      (2)

trong đó: Id là dòng điện qua diode (A), Vd là điện áp trên diode (V), I0 là dòng điện ngược bão hòa, Io≈10^-12 A/cm2 (A), q là điện lượng của electron, q=1,602×10^-19 (C), k là hằng số Boltzmann, k=1.381×10-23(J/K), T là nhiệt độ tại tiếp giáp (K).

Phương trình (1) và (2) là cơ sở cho xây dựng hai đặc tính V-I và V-P của một PVA panel.

Trong đó thể hiện những yếu tố quan trọng cần phải biết trong khai thác sử dụng. Hình 4a,b trích dẫn 2 đặc tính của một PV panel Model QQ.BBAASSEE 215-230 do ETAP cung cấp.

a) Họ đặc tính P-V (W-V)

a) Họ dặc tính I-V (A-V) Hình 4a,b. Đặc tính QQ.BBAASSEE 215-230 Từ các PV cell sẽ được tổ hợp thành nguồn điện PVA theo phương thức: PV cell → PV modul → PV panel → PV array như mô tả trên hình 3, [3,4,5]

Hình 3. Phương thức tổ hợp nguồn điện PVA

Thông thường các PVA được khai thác trong dải BXMT (200 – 1000) W/m². Chú ý rằng, BXMT mà PVA nhận được luôn thay đổi do phụ thuộc một số yếu tố sau [5,6]:

Hình 5. Trạng thái lắp đặt PVA 1- Trạng thái lắp đặt PVA thể hiện qua: vị trí địa lý (vĩ độ, kinh độ), góc nghiêng , các góc phương vị C như mô tả trên hình 5

2- Giờ trong ngày: vị trí mặt trời thể hiện qua góc hướng mặt trời S, góc độ cao  như mô tả trên hình 6.

β

N E

W S

Giữa trưa

Hoàng hôn Bình

minh

Φs

IB

IB

IB

IB

Hình 6. Vị trí tương đối giữa mặt trời và PVA Trong thực tế, các PVA có thể điều khiển góc xoay nhằm đón nhận được cường độ BXMT lớn nhất tại các thời điểm như mô tả trên hình 7.

Hình 7. PVA có điều chỉnh góc quay Tuy nhiên, đối với các PVA đặt trên mái nhà việc thay đổi góc xoay là không khả dụng.

Tổng quát, các PVA đặt tĩnh trên mái nhà như trên hình 5, Cường độ bức xạ PVA nhận được tại mọi thời điểm ban ngày được tính theo biểu thức (3) và (4):

IBC = IB cosθ, W/m² (3)

cosθ = cosβcos(





Hình 8. Năng lượng của PVA phát ra trong ngày Tới đây, đã có đủ cơ sở để thiết lập một bộ nguồn pin quang điện PVA tham gia vào hệ nguồn G-PVA cho một mạng điện tòa nhà cụ thể. Tuy nhiên, PVA cần phải được kết hợp với bộ biến đổi DC/AC. Điều này đã được các nhà sản xuất thương mại hóa thành các sản phẩm hợp bộ PV-Inverter với các sezi khác nhau theo chuẩn IEC, IEEE, ANSI.

Trong nghiên cứu này, PVA được áp dụng kết hợp lưới điện phân phối hiện có của tòa nhà như một thiết bị bù công suất (P và Q) nhằm tận dụng tối đa nguồn năng lượng mặt trời tại chỗ, đồng thời đề xuất một cấu trúc và những kịch bản vận hành hiệu quả nhất cho một mạng nguồn điện lai G-PVA. Trong đó:

- PVA đóng vai trò biến đổi quang năng thành điện năng DC [6];

- Inverter đóng vai trò DC-AC và điều khiển được tỷ lệ P/Q theo thông qua hệ số PF [3].

Trong trường hợp này, G-PVA có thể áp dụng cấu trúc và nguyên lý điều khiển như trên hình 9, [3].

Hình 9. Cấu trúc G-PVA và hệ điều khiển

- Phần mềm ETAP được áp dụng cho mô hình hóa mô phỏng mạng điện. Thông qua đó, các các kết quả tính toán giải tích mạch điện thu được nhanh, chính xác và thuận lợi cho việc hiệu chỉnh sửa chữa trong các lưu đồ thuật toán. Nhờ đó, việc so sánh giữa các phương án theo mục tiêu đề ra được thực hiện nhanh chóng, ví dụ:

- Phương án có chất lượng điện áp cao hơn.

- Phương án có tổn thất công suất nhỏ hơn.

Mô hình hóa mô phỏng mạng điện tòa nhà Mạng điện khi chưa có nguồn PVA

Giả thiết đối tượng nghiên cứu là nhà A có hình dạng tương tự như ảnh chụp trên hình 1 và mô hình hóa bằng ETAP có được sơ đồ như trên hình 10.

Hình 10. Cấu trúc mô phỏng mạng điện Trong đó: nhà A gồm có 04 tầng, mỗi tầng có một tủ phân phối điện riêng (Bus-T1, Bus-T2, Bus-T3 và Bus-T4).

Việc ứng dụng ETAP đã cho phép các tính toán giải tích mạch điện nhanh, chính xác và tin cậy, kết quả tính toán được kiết suất dữ liệu dưới dạng bảng hay hiển thị trực tiếp trên sơ đồ mô phỏng. Hình 11 và hình 12 mô phỏng kết quả tính toán phân bố công suất trong mạng điện nhà A và mạng điện tầng 3 nhà A.

Hình 11. Phân bố công suất mạng điện nhà A

Hình 12. Phân bố công suất mạng điện tầng 3 Phân bố công suất được hiển thị trên sơ đồ có ưu điểm là: tiện lợi cho việc quan sát, xử lý tình huống và đánh giá kết quả.

Cấu trúc mạng điện lai nguồn PV

Để thiết lập cấu trúc tối ưu G-PVA cho nhà A cần thu thập những dữ kiệu thực tế sau:

- Sơ đồ mạng điện hiện tại, hình 10;

- Đặc điểm phụ tải các tầng của nhà A;

- Số vị trí lắp đặt PV và diện tích mỗi vị trí lắp đặt. Giả thiết 02 vị trí lắp đặt là tại tầng 3 (F3 = 100 m²) và tầng 4 (F4 = 70 m²);

- Thiết bị điện trên sơ đồ được chọn trong thư viện (liblary) của ETAP.

Mục tiêu đặt ra là tối ưu hóa cấu trúc sơ đồ ghép nối các PV panel cho PVA tại mỗi diện tích lắp đặt F3 và F4, đồng thời thiết lập cấu trúc nguồn phân tán cho mạng điện nhà A.

Giả thiết PV panel được chọn trước theo ETAP, các thông số thể hiện trên bảng 1.

Bảng 1. Thông số PVA

Thuật toán xác định cấu trúc tối ưu các PVA được xây dựng như trên hình 13 và kết quả tính toán thu được trên bảng 2.

Bảng 2. Kết quả tính được cấu trúc PVA tại các diện tích lắp đặt F3 và F4

STT Danh mục F3 F4

1 N1 (PV panell) 90 60

2 Ns (PV panell) 15 15

3 Np (dãy) 6 4

Mô hình nguồn phân tán mạng điện nhà A được lựa chọn từ hai mô hình có cấu trúc

song song (hình 11) và cấu trúc phân nhánh như mô phỏng trên hình 14.

Bắt đầu

Số PV panel cần thiết Nx = Round(A/Fi)

Số PV panel ước tính cần thiết Nt = Ns*Np

Kết thúc, xuất kết quả Số PV panel nối tiếp Ns = Round(Ai/Fi) +1 Số PV panel song song Np = Round(Nx/Ns)

Nt < N

Số PV panel lắp đặt N1 = Nt

Số PV panel lắp đặt N1 = Ns*(Np-1) Đ

S

Tính tiếp i=2

Nhập thông số cho diện tích tính toán Fi (F1, F2..)

Nhập thông số 1 PV panel (Pmpp1, Vmpp1, kích thước (dài, rộng)

Hình 13. Thuật toán tối ưu lựa chọn PVA

Hình 14. Cấu trúc mạng điện lai G-PVA Đối với mạng điện nguồn lai G-PVA trong trường hợp này, sơ đồ cấu trúc song song có nhiều ưu điểm hơn so với cấu trúc phân nhánh thể hiện thông qua các phân tích trong phần tiếp theo.

Khai thác tính năng của G-PVA Các thông số lắp đặt PVA:

- Tọa độ lắp đặt (Vĩ độ 21⁰, Kinh độ 105⁰), - góc phương vị S =0⁰, góc nghiêng Σ =0⁰ . Trường hợp thứ nhất (thời điểm12h):

- Hế số Ar mass =1,02AM ; IB = 932W/m², - Hệ số công suất của PV-Inverter PF =85%.

Áp dụng ETAP giải tích lưới, kết quả thu được thể hiện trên hình 10, hình 15, bảng 3 và bảng 4:

Hình 15. Biểu đồ phân bố công suất (12h) Bảng 3. Dữ liệu phân bố công suất thời điểm 12h

Bảng 4. Dữ liệu tổn thất công suất (12h) sơ đồ cấu trúc song song

Trong cùng điều kiện như nhau, đối với sơ đồ có cấu trúc phân nhánh (hình 14) có tổn thất công suất lớn hơn, kết quả tính được trên bảng 5.

Bảng 5. Dữ liệu tổn thất công suất (12h)sơ đồ cấu trúc phân nhánh

Trường hợp thứ 2 (16h):

- Hệ số Ar mass =2AM ; IB = 300 W/m², - Hệ số công suất của PV-Inverter: PF =85%.

Do BXMT giảm nên công suất tác dụng phát ra từ các PVA giảm. Kết quả giải tích lưới thu được trên hình 16, hình 17 và bảng 6

Hình 16. Mô phỏng phân bố CSTD (16h)

Hình 17. Biểu đồ phân bố CSTD (16h) Bảng 6. Dữ liệu tổn thất công suất (16h)

Trường hợp thứ 3 (8h, 16h):

Trong những khoảng thời gian có BXMT thấp, CSTD do PVA phát ra nhỏ. Để khai thác PVA có hiệu quả cao hơn, hệ số công suất của PV-Inverter sẽ được điều chỉnh để PVA đóng vai trò như một thiết bị bù CSPK.

Ví dụ: Trong thời gian BXMT có IB = 300 W/m², điều chỉnh PF = 25%. Kết quả tính toán phân tích lưới như mô phỏng trên hình 18, hình 19 và bảng 8.

Hình 18. Phân bố CS khi PVA bù CSPK

Hình 19. Biểu đồ PVA bù CSPK Bảng 8. Tổn thất công suất khi PVA bù CSPK

So sánh các kết quả giải tích lưới khi PVA bù CSPK cho thấy điện áp Bus 3 được nâng lên, đồng thời tổn thất công suất trong mạng điện được giảm xuống.

Trường hợp thứ 4:

Trong thực tế, các diện tích lắp đặt PVA trên một tòa nhà thường không giống nhau về góc

 và góc phương vị c, nên các PVA thường không nhận được BXMT giống nhau (hình 20). Từ kết quả nghiên cứu trên, để vận hành mạng điện tòa nhà đạt hiệu quả đạt cao nhất, hệ số PF của PV-Inverter cần được điều khiển, điều chỉnh phù hợp. Đối với PVA đang nhận BXMT quá thấp (≤ 300 W/m²) thì khai thác PVA đó thiên về chức năng bù CSPK.

Hình 20. PVA lắp đặt trong điều kiện khác nhau Trường hợp tổng quát đối với tòa nhà có nhiều PVA (PVA1, PVA2, PVA3...) lắp đặt trên các diện tích lắp đặt khác nhau (F1, F2, F3...). Theo cấu trúc nguồn phân tán, mỗi PVA được bố trí cấp điện cho một tủ điện riêng. Điều này sẽ thuận lợi cho công tác vận hành hiệu quả nguồn G-PVA. Đối với những tào nhà nhiều tầng, cũng như những dãy nhà một tầng kéo dài, khi đó việc lựa chọn cấu trúc mạng điện song song hay phân nhánh sẽ được nghiên cứu kỹ lưỡng hơn.

KẾT LUẬN

Bài báo đã đạt được mục tiêu đề ra thể hiện trên một số kết quả nghiên cứu cụ thể sau:

- Khái quát được mô hình mạng điện lai G- PVA kết hợp nguồn lưới với nguồn pin mặt trời cấp điện cho các tòa nhà lớn (hình 11, hình 14).

- Việc ứng dụng ETAP mô hình hóa mô phỏng và giải tích mạng điện lai G-PVA đã cung cấp kết quả tính toán nhanh, chính xác và tin cậy cho việc tối ưu hóa cấu trúc mạng điện và đề xuất phương án vận hành.

- Làm cơ sở cho thiết kế tự động hóa vận hành mạng điện G-PVA và mạng điện thông minh.

- Nội dung bài báo đã cô đọng cho một tài liệu phục vụ chương trình đào tạo đại học và cao học ngành Kỹ thuật điện - Điện tử, ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Abdelhay A. Sallam, Om P. Malik (2011), Electric Distribution Systems, A JOHN WILEY.

2. Gilbert M. Masters (2004), Renewable and Efficient Electric Power Systems, Copyright by John Wiley & Sons.

3.Teresa Orłowska-Kowalska, Frede Blaabjerg, José Rodríguez (2014) Advanced and Intelligent Control in Power Electronics and Drives, Springer International Publishing Switzerland.

4.Nguồn: ttp://nangluongvietnam.vn/news/vn/

5. Nguồn: © 2017 Canada Mortgage and Housing Corporation (CMHC)

6. Ngô Đức Minh, Lê Tiên Phong (2016), Năng lượng tái tạo trong hệ thống điện, Nxb Đại học Thái Nguyên.

7. Ngô Minh Đức, Ngô Đức Minh, Đặng Danh Hoằng (2016), “Xây dựng cấu trúc hệ thống và mô phỏng hoạt động hệ nguồn lai (PVg-Wg) áp dụng trong mạng điện phân tán“, KH&CN Đại học Thái Nguyên. Tập 147, số 02, tr(221-230).

SUMMARY

OPTIMIZING THE STRUCTURE AND MANAGING THE OPERATION OF ELECTRIC SYSTEM IN BUILDING USING HYBIRD POWER GENERATION G-PVA

Ngo Duc Minh^*, Do Trung Hai University of Technology - TNU

Photovoltaic power generation is one of the most potentially renewable sources. Exploiting this generation in power system can bring high economic efficiency and technique but still having many difficulties to make it more popular because of restrictions of calculation tools, grid analysis and the dependence of real operation conditions. This paper proposes an optimal structure for the grid-connected (G) using photovotaic arrays (PVA) that are installed on high buildings, called G- PVA. This structure use real database: installed area, latitude, azimuth, configures of PVA and inverter, characteristic of load and actual state of building electric system, etc. ETAP software is used in this research to ensure exactly and reliably for modeling and simulating. Simulation results provide state parameters of this system in some operation modes to have database for controlling and automating the grid.

Keywords: G-PVA, high building eclectric grid, inverter, photovoltaic array, power analysis

Ngày nhận bài: 01/11/2017; Ngày phản biện: 29/11/2017; Ngày duyệt đăng: 05/01/2018

*Tel: 0982 286428, Email: ngoducminh@tnut.edu.vn