Nghiên cứu ứng dụng smes (Supperconducting magnetic energy store: Cuộn dây từ siêu dẫn tích trữ năng lượng) trong cải thiện chất lượng điện năng

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG SMES

(SUPPERCONDUCTING MAGNETIC ENERGY STORE:

CUỘN DÂY TỪ SIÊU DẪN TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG)

TRONG CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG

A STUDY OF THE SUPPERCONDUCTING MAGETIC STORE (SMES) APPLICATION TO

POWER QUALITY IMPROVEMENT

Nguyễn Hữu Phúc (*), Phan Thanh Cảnh (**)

(*) Khoa Điện - Điện tử; Trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM

(**) Học viên cao học ngành Kỹ Thuật Điện; Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM

ABSTRACT

This paper presents a methodology for investigating the application of SMES equipment based on Matlab

software to built model of power system with SMES and simulation to equipment response ability of

analyse when fault ride – through as loaded fluctuation, fault short short circuit. SMES devices, is the “zero-

resistance” characteristic, permitted instantaneous dynamic response, nearly infinite cycle life, high roundtrip

efficiency, and stored large energy without storage loss. SMES has been proposed for compensation of

fluctuating loads, asymmetries of current and voltage from loads, providing back-up power supply,

protection of critical loads, and improving flexible AC transmission system (FACTS), controlling primary

frequency. A high capacity of SMES has been applied to control damping of system oscillations, enhancing

voltage stability, providing load levelling, decreasing area control error (ACE) and spinning reserve when

connected into power grid.

Key words: Transmission power system, SMES and Matlab – Simulink Modeling software.

TÓM TẮT

Bài báo trình bày phuơng pháp nghiên cứu việc ứng dụng thiết bị SMES dựa trên phần mềm Matlab để

xây dựng mô hình hệ thống điện với cấu trúc của SMES và mô phỏng để phân tích khả năng đáp ứng của

thiết bị SMES khi xảy ra sự cố thoáng qua như tải dao động, sự cố ngắn mạch. Một thiết bị SMES với đặc

tính siêu dẫn “zero-resistance” hoạt động linh hoạt, chu kỳ hoạt động gần như vô hạn, hiệu suất cao và khả

năng lưu trữ năng lượng cao mà hầu như không tiêu hao năng lượng. Ứng dụng thiết bị SMES dùng để bù

đắp cho các tải dao động, tải có dòng điện và điện áp không đối xứng, cung cấp nguồn điện dự phòng, bảo vệ

cho phụ tải quan trọng và cải thiện hệ thống thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt [FACTS], kiểm soát

tần số. Một phần công suất tương đối cao từ SMES dùng để kiểm soát sự dao động của hệ thống, tăng cường

ổn định điện áp, giảm sai số trong các vùng kiểm soát (ACE) và có khả năng phát thêm công suất khi nối vào

lưới điện.

Từ khóa: Hệ thống lưới điện truyền tải, SMES và phần mềm Matlab – Simulink Modeling.

1. Đặt vấn đề.

vấn đề cần đặt ra là ảnh hưởng đến môi trường

như thế nào? Hàng loạt câu hỏi đặt ra liên quan

đến hiệu ứng nhà kính, liên quan đến sự nóng lên

của Trái đất. Sự phát thải của các nhà máy đã góp

phần làm ảnh hưởng đáng kể đến môi trường.

Ngày nay, nhu cầu năng lượng đang gia tăng

nhanh ở hầu hết các quốc gia. Các nhà cung cấp

đang phải đối mặt với sự thiếu hụt năng lượng

trầm trọng. Bên cạnh đó, về chất lượng của nhiên

liệu, chất lượng của nguồn năng lượng cũng là

Từ những vấn đề cấp thiết trên, nguồn năng

một vấn đề cần quan tâm. Song song với việc phát lượng tái tạo, năng lượng địa nhiệt, năng lượng

triển nguồn năng lượng để phục vụ đời sống thì sóng biển, cũng như nguồn năng lượng sinh khối,

1

năng lượng gió…đang dần được Thế giới quan khi có các vấn đề sự cố của lưới điện như đã nêu ở phần

tâm và khai thác. Các nguồn năng lượng này đóng trên.

góp đáng kể cho nhu cầu thiếu hụt năng lượng

2. Tổng quan về cấu trúc hệ thống SMES

trầm trọng hiện nay. Tuy nhiên, ảnh hưởng của

Trong mô phỏng, hệ thống SMES đã được kết

các nguồn năng lượng tái tạo cũng như những

nguồn năng lượng khác gây ra trên hệ thống điện

cũng đáng kể như: Quá điện áp, gây nhiễu lưới

điện [5], tổn thất công suất [4], mất ổn định hệ

thống [1].

nối với thanh cái cung cấp cho tải, và nó liên kết đến

thanh cái của hệ thống điện thông qua các tổng trở

tương đương Z.

Một thiết bị SMES với đặc tính siêu dẫn “zero-

resistance” hoạt động linh hoạt, chu kỳ hoạt động

gần như vô hạn, hiệu suất cao và khả năng lưu trữ

năng lượng cao mà hầu như không tiêu hao năng

lượng. Công nghệ siêu dẫn nhiệt độ cao (HTS) của

SMES là một phương pháp hiệu quả về chi phí đối

với một hệ thống SMES hiện nay. HTS cũng đã

được sử dụng từ nhiều năm nay nhưng mới chỉ giới

hạn ở các dự án thí điểm để thử nghiệm trên lưới

điện. Vật liệu của HTS được sử dụng là hợp chất

oxit gốm và làm mát bằng nitơ lỏng, trong khi đó vật

liệu siêu dẫn nhiệt độ thấp (LTS) được sử dụng hợp

kim niobium-titan và làm lạnh bằng chất lỏng

helium [8]. Một lượng công suất nhỏ từ SMES dùng

để bù đắp cho các tải dao động, tải có dòng điện và

điện áp không đối xứng [6], cung cấp nguồn điện dự

phòng, bảo vệ cho phụ tải quan trọng và cải thiện hệ

thống thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt

[FACTS] [1], kiểm soát tần số [8]. Một phần công

suất tương đối cao từ SMES dùng để kiểm soát sự

dao động của hệ thống, tăng cường ổn định điện áp,

giảm sai số trong các vùng kiểm soát (ACE) và có

khả năng phát thêm công suất khi nối vào lưới

điện[1].

2.1. Tổng quan về cấu trúc hệ thống SMES.

Một hệ thống SMES được biểu diễn như hình

2.1, hệ thống SMES được kết nối với lưới điện xoay

chiều AC thông qua một máy biến áp ba pha và một

bộ lọc (Khối “Transformer and Filter”). Khối

“Voltage Source Converter VSC” , bộ nghịch lưu áp

VSI được kết nối từ cuộn thứ cấp của máy biến áp

có nhiệm vụ chuyển đổi nguồn điện từ điện xoay

chiều AC sang điện một chiều DC và ngược lại. Để

điện áp DC ổn định thì ta cần một tụ điện lọc phẳng

được kết nối ở ngõ ra của VSI. Bộ “DC-DC

Chopper” có nhiệm vụ điều khiển quá quá trình sạc

và xả của hệ thống. Khối “Bypass” là khối bảo vệ và

kiểm soát chế độ nghỉ của cuộn dây SMES. Cuối

cùng, khối “SMES Coil” là cuộn dây SMES chưa

năng lượng tích trữ dưới tác dụng của lực Lauren.

Từ những vấn đề cấp thiết trên, tác giả đề xuất ứng

dụng vai trò của thiết bị SMES trong lưới điện, nhằm

ổn định hệ thống lưới điện khi có phụ tải thâm nhập

thoáng qua hoặc sự cố ngắn mạch thoáng qua tác động

trên lưới. Từ đó, tiến hành mô phỏng và đánh giá hệ

thống qua phần mềm Matlab. Tác giả đã đề xuất hướng

nghiên cứu với chủ đề: “Ứng dụng SMES

(Supperconducting Magnetic Energy Store: Cuộn dây

từ siêu dẫn tích trữ năng lượng) trong cải thiện chất

lượng điện năng”. Trong khuôn khổ của bài báo này,

tác giả dựa trên các nghiên cứu của các tác giả đã công

bố trước đó về các mô hình hóa một hệ thống SMES để

nhằm giải quyết bài toán cải thiện chất lượng điện năng

Hình 2.1. Mô hình hệ thống SMES

2.2. Bộ nghịch lưu áp

Mô hình thiết bị nghịch lưu áp được biểu diễn như

hình 2.2 Lưới điện PCC được kết nối với hệ thống

SMES lần lượt các điện áp pha là V_a, V_b, và V_c

tương ứng. Trong đó, L_slà điện kháng của máy biến

áp, R_slà điện trở của máy biến áp. L_svà R_smắc nối

2

tiếp nhau được gọi là trở kháng tương đương của

máy biến áp. Khi máy biến áp hoạt động, hiện tượng

tự cảm M được gây ra bởi sự ảnh hưởng qua lại giữa

các cuộn dây máy biến áp. Tổn thất công suất trong

bộ VSI và tụ điện DC được mô hình hóa bằng điện

trở R_pmắc song song với một hệ thống VSI lý

tưởng. Công suất tiêu tán trên điện trở R_plà công

suất tổn thất của hệ thống trên.

(5)

(6)

Trong đó:

Hàm ma trận chuyển đổi trung bình trong hệ quy

chiếu d-q của bộ nghịch lưu áp là Sdqav trình bày

mối quan hệ giữa điện áp một chiều Vd và dạng điện

áp xoay chiều ngõ ra Vinv. Giả sử điện áp một chiều

của tụ điện là Vd, chúng ta có công thức biểu diễn

mối quan hệ giữa điện áp một chiều và điện áp xoay

chiều ngõ ra của bộ nghịch lưu áp như sau:

Hình 2.2 Mô hình bộ nghịch lưu áp

(7)

Áp dụng định luật Kirchhoff’s về điện áp, phương

trình Kirchhoff’s cho điện áp xoay chiều ba pha ở

ngõ ra bộ VSI được tính như sau:

Hàm ma trận chuyển đổi trung bình trong hệ quy

chiếu d-q của bộ nghịch lưu áp Sdqav được tính như

sau:

(1)

(8)

Trong đó, s phép biến đổi Laplace theo thời gian t Trong đó:

trong miền số phức, s = d/dt với t ˃ 0

- m_i: Chỉ số điều chế của bộ nghịch lưu áp. m_icó giá

trị là [0,1].

(2)

- α : góc lệch trên hệ trục d- q của v_invdvà v_invqđến

các trục tọa độ.

Với tần số cơ bản của hệ thống là f, tốc độ góc đồng

bộ là ω [20], như vậy ta có:

-

là tỷ số máy biến áp ghép và nó dịch pha

của điện áp ngõ ra DSTATCOM từ vị trí tham chiếu.

Công suất giữa xoay chiều AC và một chiều DC là

bằng nhau, ta có:

(3)

Trong đó, ma trận Ks từ hệ quy chiếu d-q được biểu

diễn như sau:

(9)

(4)

(10)

-

là góc lệch giữa trục d của

Từ công thức (1) đến (10) chúng ta có phương trình

(11) như sau [8]:

hệ tọa độ d-q so với hệ tọa độ A-B-C, ξ là biến tích

phân.

Từ phương trình (3), bỏ qua các thành phần thứ tự

không, ta có:

3

Hình 2.4 Sơ đồ trạng thái sạc của Chopper.

Theo tài liệu [22], điện áp đặt vào cuộn dây SMES

được tính theo công thức sau:

(11)

(12)

Với I₀là dòng điện ban đầu của cuộn dây siêu

dẫn, C là tụ điện của liên kết tầng DC và dòng điện

tăng lên trong cuộn dây siêu dẫn SMES trong

khoảng thời gian Δt được tính theo công thức sau:

2.3. Khối DC Chopper

Về cơ bản, bộ chuyển đổi DC/DC Chopper hoạt

động ở 3 chế độ: Chế độ giảm áp hay chế độ sạc, chế

độ chờ hay chế độ nghỉ, và chế độ tăng áp hay chế

độ xả. Ba chế độ này được trình bày trong các

nghiên cứu bằng cách sử dụng bộ điều khiển buck-

boost hoặc ngược lại, được biểu diễn như hình 3.7.

(13)

Trong đó: L là độ tự cảm của cuộn dây siêu dẫn.

Trong chế độ hoạt động thứ 2 hay chế độ nghỉ

như hình 2.5, hệ thống điện hoạt động ở điều kiện

ổn định. Lúc này, giữa lưới điện và cuộn dây SMES

không có sự liên kết với nhau, năng lượng cấp cho

cuộn dây SMES ở chế độ 1 được tích trữ trong cuộn

Hình 3. Mô hinh chi tiết của một bộ Chopper

Chế độ giảm áp (chế độ sạc) là phương thức hoạt dây. Hệ thống SMES ở chế độ nghỉ. Tất cả các

động đầu tiên của bộ Chopper. Trong chế độ này, Thyristor S₁và S₂đều ở trạng thái OFF, riêng

Chopper làm việc như một bộ giảm áp Buck. Lúc Thyristor S₃được giữ trạng thái ON.

này, năng lượng từ lưới điện sẽ được kết nối đến

cuộn dây siêu dẫn SMES và được tích trữ trong cuộn

dây. Điều này được thực hiện thông qua sự chuyển

mạch của hai Thyristor S₁và S₂, nhờ sự chuyển

mạch của S₁và S₂trong chế độ dẫn, điện áp đặt vào

cuộn dây SMES sẽ là điện áp một chiều. Như hình

2.3 cho thấy, hai Thyristor S₁và S₂luôn được giữ ở

Hình 2.5. Trạng thái nghỉ của Chopper.

trạng thái ON, và Thyristor S₃trạng thái OFF, dòng

Điện áp đặt lên cuộn dây SMES được tính toán

điện đi từ Thyristor S₁đến cuộn dây SMES rồi về

như sau:

S₂, lúc này cuộn dây SMES được nạp đầy năng

lượng và tích trữ chúng.

(14)

Với R_svà L tương ứng là điện trở và cảm kháng

của cuộn dây SMES, và dòng điện ở chế độ này có

công thức như sau:

(15)

4

Với I₀là dòng điện ban đầu trước khi chế độ này soát, điều khiển tối ưu dòng công suất phản kháng

hoạt động, do điện trở của cuộn dây SMES lúc này và tác dụng trong hệ thống. Các thông số điều khiển

bằng 0 nên dòng điện vẫn không thay đổi.

được tính toán từ tỷ lệ của dòng điện. Có hai hệ

thống điều khiển chính trong hệ thống SMES: Điều

khiển bộ nghịch lưu nguồn áp VSI và bộ chuyển đổi

điện áp DC-DC Chopper.

Trong hình 2.6, trình bày chế độ hoạt động thứ

3 của hệ thống SMES. Chế độ này là sự hoạt động

của bộ chuyển đổi tăng áp (Mạch Boost). Dòng điện

lúc này được xả ra từ cuộn dây SMES nên chiều đi 3.1.Điều khiển bộ nghịch lưu VSI

của dòng điện trong hình 2.6 là từ nơi có điện thế

Để có thể xây dựng bộ điều khiển VSI, chúng ta

thấp đến nơi có điện thế cao là từ -V_DCđến +V_DC.

Cuộn dây lúc này sẽ giải phóng năng lượng để bù

cho sự thiếu hụt của công suất tác dụng, công suất

phản kháng, dòng điện và điện áp của hệ thống điện.

Như hình 2.6, lúc này các Thyristor đều ở trạng thái

OFF, dòng điện sẽ qua các điốt D₁và D₂.

sẽ dựa vào phương trình (*).

−

(*)

Điện áp điều khiển trên bus DC được thiết lập

là sai số phần trăm giữa điện áp một chiều đầu ra

V_DCcủa VSC và điện áp một chiều tham chiếu

V_DCREFnhằm tạo ra sai lệch điện áp trên trục d

(V_DREF). Điện áp này tỷ lệ với điện trở R_pcủa mạch

cầu và Chopper để có được dòng điện tham chiếu

I_DREFtrên trục d. Dòng điện này kết hợp với dòng I_d

từ khung tham chiếu d-q, và kết quả của sự kết hợp

trên là duy trì I_dvới hệ số tỷ lệ K_D(K_D= L_s’/R_s) và

bộ lọc để tạo ra Vdref. Dòng điện I_qtừ khung tham

chiếu d-q qua trở kháng ωL_sđể tạo ra điện áp trên

trục d. Điện áp V_drefkết hợp với điện áp trục d tạo ra

điện áp V_d[7]. Hình 3.1 thể hiện sơ đồ khối điều

khiển VSI:

Hình 2.6. Trạng thái xả của chopper.

Ở chế độ này, phương trình điện áp được tính

như công thức sau:

(16)

Với R_svà L tương ứng là điện trở và cảm kháng

của cuộn dây SMES, và dòng điện ở chế độ này có

công thức như sau:

(17)

Với I₀là dòng điện ban đầu trước khi chế độ xả

hoạt động, và dòng điện giảm xuống trong cuộn dây

siêu dẫn SMES trong khoảng thời gian Δt được tính

theo công thức trên.

Hình 3.1. Sơ đồ khối bộ điều khiển VSC

Tương tự như bộ điều khiển DC, bộ điều khiển

AC cũng tạo ra dòng điện tham chiếu trên trục q từ

điện áp xoay chiều V_ACvà điện áp xoay chiều tham

chiếu V_ACREF. Điện áp của bộ điều khiển AC hiển thị

phần trăm sai lệch giữa điện áp xoay chiều ngõ ra

3.0.Phương thức điều khiển hệ thống SMES

Việc điều khiển hệ thống SMES là rất khó khăn

khi thực hiện bộ điều khiển hệ thống SMES để kiểm

5

V_ACcủa VSC với điện áp tham chiếu V_ACREFnhằm

tạo ra sai lệch điện áp trên trục d (V_DREF).

(18)

Chu kỳ nhiệm vụ D cho phép nạp, xả hoặc nghỉ

của bộ DC-DC Chopper theo giá trị sau:

Điện áp này tỷ lệ với tổng trở Z của máy biến áp

để có được dòng điện tham chiếu I_QREFtrên trục d.

Dòng điện này kết hợp với dòng I_dtừ khung tham

chiếu d-q, và kết quả của sự kết hợp trên là duy trì Id

với hệ số tỷ lệ K_D(K_D= L_s’/R_s) và bộ lọc để tạo ra

D = 0.5, Chế độ nghỉ.

D > 0.5, Chế độ sạc.

D < 0.5, Chế độ xả.

V_qref. Dòng điện I_qtừ khung tham chiếu d-q qua trở

4.0 Mô phỏng hệ thống SMES trong hệ thống điện

kháng ωL_sđể tạo ra điện áp trên trục q. Điện áp V_qref

kết hợp với điện áp trục q tạo ra điện áp V_q[7]. Cả

hai điện áp V_dvà V_qthông qua bộ chuyển đổi sang

điện áp ba pha V_abccung cấp cho bộ PWM để tạo ra

xung điều khiển.

sử dụng phần mềm Matlab

4.1. Sơ đồ khối tổng thể hệ thống

Để khảo sát các đặc tính của hệ thống điện trong

trường hợp có hoặc không có SMES khi trên lưới

xãy ra sự cố thoáng qua như bởi do tải có tính chất

tiêu thụ công suất phản kháng hoặc trường hợp ngắn

mạch thoáng qua, hệ thống được đề xuất xây dựng

các khối như hình 4.1. Như vậy, sẽ có hai mô hình

hoạt động song song, một mô hình không có hệ

thống SMES kết nối lưới điện, một mô hình có hệ

thống SMES kết nối lưới.

3.2.Điều khiển bộ DC-DC Chopper

Theo tài liệu [7], bộ điều khiển Chopper hoạt

động dựa trên chu kỳ nhiệm vụ D của chế độ sạc.

Việc tính toán chu kỳ nhiệm vụ dựa trên công suất

truyền tải giữa công suất xoay chiều AC và công

suất một chiều DC của hệ thống như phương trình

(9) và (10). Hình 3.12 biểu diễn sơ đồ hệ thống điều

khiển DC chopper.

Hình 4.1. Mô hình hệ thống điện được xây dựng trên

Simulink với hai trường hợp có và không có SMES với đối

tượng tải thâm nhập thoáng qua Q_L

Hình 3.2. Sơ đồ bộ điều khiển DC Chopper.

Dòng điện qua cuộn dây SMES được nhân với

điện áp DC để có được công suất một chiều P_DC, và

Để sạc cho cuộn dây SMES thì phụ thuộc vào

lượng công suất này cũng bằng công suất xoay chiều điện áp đầu vào của SMES và giá trị độ tự cảm của

P_AC. Công suất xoay chiều P_ACchia cho điện áp ngõ cuộn dây SMES. Hoạt động của hệ thống SMES

ra V_ACta được dòng điện tích trữ. Dòng này kết hợp trong các nghiên cứu trước đây có giá trị khác nhau

với dòng đo được trên VSI nhằm điều khiển chu kỳ đã được các tác giả trình bày cụ thể, ví dụ như trong

nhiệm vụ D_X. Chu kỳ nhiệm vụ D được tính theo bài báo [2], hoạt động với tổng độ tự cảm của cuộn

phương trình sau:

dây SMES khoảng 68.724H ( trong đó 6 x

{8.334H(tự cảm cuộn dây)+3.12H(hỗ cảm)} tại điện

6

áp 24kV, còn đối với tài liệu [3], cuộn dây có độ tự

cảm 21.1H với điện áp là 6kV, tài liệu [10] với độ tự

cảm 12.5H tại điện áp 415V. Giá trị cao của độ tự

cảm sẽ mất một khoảng thời gian để sạc đến giá trị

dự kiến.

Để tránh được thời gian mô phỏng, đề tài này sẽ

mô phỏng với cuộn dây SMES có độ tự cảm là 1H,

tụ điện liên kết DC có dung lượng 0.02F. Dòng điện

qua cuộn dây SMES tối đa lên đến 4000A. Như vậy,

năng lượng tối đa mà SMES lưu trữ là 8.000.000J

(t=5s). Giá trị tự cảm của cuộn dây và dòng điện lớn

nhất sạc cho cuộn dây tùy vào thực tế mà ta có thể

thay đổi cho phù hợp.

(b)

Hình 4.2. Dạng sóng điện áp tại thanh cái 11kV, (a) hệ

thống có SMES, (b) hệ thống không có SMES.

Điện áp đo được trong cả hai trường hợp của hệ

thống thấp hơn điện áp định mức của hệ thống

(11kVrms = 11.55kV). Sự sụt áp ấy là do điện áp rơi

trong quá trình truyền tải, điện áp rơi trên các thành

phần của hệ thống như trên đường dây, trên máy

biến áp. Điện áp tại thanh cái 11kV của cả hai hệ

thống có SMES hay không có SMES là hoàn toàn

giống nhau trong điều kiện làm việc bình thường của

lưới điện. Rõ ràng, ta có thể nhận thấy như trong

hình 4.3, điện áp dây của hai dây pha AB trong cả

hai trường hợp là như nhau.

4.2. Trạng thái ổn định của hệ thống

Để có thể so sánh, hệ thống điện của đề tài sẽ

đồng thời chạy mô phỏng ở 2 hệ thống có thông số

giống nhau. Một mô hình có kết nối với hệ thống

SMES, và một mô hình hoạt động bình thường. Ở

trạng thái ổn định, cả hai mô hình hoạt động khi

không có phụ tải thâm nhập vào hệ thống. Kết quả

của trường hợp này cho thấy hai hệ thống có hay

không có kết nối SMES thì tương đương nhau. Kết

quả mô phỏng cho cùng một kết quả. Do vậy, ta có

thể nhận thấy rằng, khi hệ thống hoạt động bình

thường và không có mục tiêu thâm nhập thì không

có sự ảnh hưởng của hệ thống SMES với lưới điện.

Hình 4.3. Dạng sóng điện áp dây trung bình của đường

dây 11kV trong cả hai trường hợp có hệ thống SMES và

không có hệ thống SMES ở điều kiện hoạt động bình

thường của lưới điện, đường đồ thị màu xanh dương là

điện áp của hệ thống điện khi có hệ thống SMES và đồ thị

màu hồng là điện áp của hệ thống điện khi không có hệ

thống SMES .

Các giá trị đo được của hệ thống ở điều kiện ổn

định được thể hiện như trong hình dưới đây.

4.2.1. Đo lường thông số của hệ thống

Dạng sóng điện áp của hệ thống tại thanh cái

11kV.

4.2.2 Đo lường thông số của hệ thống SMES

Điện áp đầu vào của hệ thống SMES dao động ở

mức 580V, nằm trong khoảng giá trị điện áp định

mức (

).

(a)

7

(a)

Hình 4.4. Điện áp tại hệ thống SMES ở điều kiện

bình thường

Để tránh sự ảnh hưởng của cuộn dây SMES, giá trị

chọn lựa của tụ điện là thấp như là 0.1F, do đó điện áp tại

liên kết DC dao động khoảng gần 100V theo như Hình

4.5.

(b)

Hình 4.6. Điện áp tại cuộn dây SMES, (a) trạng

thái điện áp ở chế độ sạc và (b) điện áp ở chế độ

chờ

Dòng điện cuộn dây SMES:

Hình 4.5. Điện áp tại liên kết DC của hệ thống

SMES ở điều kiện bình thường

Ở điều kiện làm việc bình thường của hệ thống điện,

hệ thống SMES có thể ở 2 trạng thái hoạt động là sạc

hoặc chờ. Điện áp tại cuộn SMES phụ thuộc vào chế độ

sạc hoặc chờ của SMES. Theo quan sát hình 4.6 (a), khi

SMES đang trạng thái sạc (chế độ buck), dòng điện qua

cuộn dây SMES đi từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện

thế thấp hơn. Điện áp tại cuộn dây SMES mang là giá trị

dương, nhưng sau một khoảng thời gian là âm. Đó là sự

nhạy cảm trong quá trình điều khiển gây ra trong chu kỳ

nhiệm vụ ở chế độ xả. Có thể nhìn thấy từ hình 4.6 (b),

giống như ở chế độ chờ, hầu hết điện áp chịu sự ảnh

hưởng điện áp trước đó khi ở chế độ chờ và nó cũng chịu

ảnh hưởng bởi bộ điều khiển.

Hình 4.7. Dòng điện qua cuộn dây SMES trong chế độ

sạc và chế độ chờ

Khi hệ thống bắt đầu chế độ sạc, dòng điện cuộn

dây SMES tăng lên cho đến khi nó đạt được giá trị

dòng điện tối đa thiết lập trước đó của hệ thống. Khi

đạt giá trị tối đa, hệ thống chuyển sang chế độ chờ

với giá trị dòng điện không đổi đó. Trong mô phỏng

này, dòng điện cực đại (4000Amps) được lưu trữ bởi

chế độ sạc với thời gian nạp khoảng 18s như hình

4.7.

4.3.Trạng thái của hệ thống khi có phụ tải thâm

nhập với Q_L=100 kVAR

Khi có phụ tải xâm nhập vào hệ thống, phụ tải

được kết nối và ngưng kết nối với thời gian khảo sát

bắt đầu từ giây thứ 40 và khoảng khảo sát 10 chu kỳ

8

Đo lường thông số hệ thống điện:

nhẹ, và nhanh chóng ổn định trong trường hợp này.

Trong hình 4.9, kết quả điện áp trung bình một pha

của hệ thống điện trong cả hai trường hợp. Đường

màu hồng, thể hiện giá trị điện áp trung bình của pha

khi hệ thống không có SMES kết nối lưới điện.

Đường màu xanh, là trị điện áp pha trung bình của

hệ thống khi có sự ảnh hưởng của SMES lên lưới

điện. Dựa vào đồ thị, ta dễ dàng nhận thấy trong

trường hợp hệ thống có SMES, thì giá trị điện áp

này ít dao động hơn và có điện áp cao hơn so với

trường hợp hệ thống không có SMES kết nối lưới

điện.

Điện áp của hệ thống tại thanh cái 11kV

(a)

(b)

Hình 4.8. Điện áp tại thanh cái 11kV khi phụ tải thâm

nhập lưới điện, (a) lưới điện có kết nối với hệ thống

SMES và (b) lưới điện không có kết nối với hệ thống

SMES

Hình 4.9. Trị điện áp trung bình của đường dây tại

thanh cái 11kV của cả hai hệ thống có và không có hệ

thống SMES khi có phụ tải thâm nhập lưới điện, màu

xanh là điện áp của hệ thống điện có kết nối hệ thống

SMES và màu hồng là điện áp của hệ thống điện không có

hệ thống SMES

Như chúng ta thấy ở hình 4.8, khi có phụ tải

thâm nhập vào hệ thống, phụ tải này kết nối và ngắt

kết nối thường xuyên sẽ gây nên hiện tượng dao

động điện áp trong hệ thống điện ở trường hợp hệ

thống có sử dụng SMES và hệ thống còn lại không

sử dụng SMES. Điện áp của hệ thống có sự dao

động trước khi trở lại trạng thái ổn định hình sin.

Dựa vào kết quả mô phỏng, tác giả nhận thấy rằng

trong trường hợp hệ thống có SMES, thì điện áp

phục hồi trạng thái ổn định nhanh hơn so với trường

hợp không có SMES. Ở trường hợp b, khi hệ thống

không có SMES kết nối lưới điện, điện áp bị dao

động khá rõ và kéo dài trong một khoảng thời gian

trễ hơn gây ảnh hưởng nhiều đến lưới điện. Cũng

trên cơ sở kết quả thu được, chứng tỏ hệ thống điện

đã nhận được sự bù công suất từ năng lượng lưu trữ

của SMES truyền lên lưới điện để bù đắp cho sự

thiếu hụt công suất khi có phụ tải thâm nhập thoáng

qua vào lưới điện. Điện áp của hệ thống dao động

4.3.1 Đo lường thông số hệ thống SMES

Điện áp ngõ vào tại hệ thống SMES

(a)

9

Dựa vào kết quả mô phỏng như Hình 4.11, dòng

điện tại cuộn SMES tăng lên khi hệ thống bắt đầu

hoạt động và đạt đến mức tối đa (4000A). Giai đoạn

này là chế độ sạc của hệ thống SMES. Năng lượng

trong giai đoạn này sẽ được tích trữ trong cuộn dây

SMES. Xét hệ thống tại giây thứ 40 trở đi, đó là

thời điểm khảo sát khi có phụ tải thâm nhập thoáng

qua được kết nối vào hệ thống. Chính vì sự thâm

nhập này gây ra sự dao động điện áp trong hệ thống

lưới điện như làm méo biên dạng điện áp, sụt áp tức

thời, điện áp có tính chất nhấp nháy, với đặc tính

điện áp như vậy gây ảnh hưởng rất lớn cho các phụ

tải nhạy cảm (thiết bị điện tử), các thiết bị đóng cắt

trên lưới có thể dẫn đến tác động cắt sai yêu cầu. Hệ

thống điện có trang bị hệ thống SMES nhận được

năng lượng từ hệ thống SMES để bù đắp cho lưới

điện với lượng năng lượng suy giảm do sự cố gây ra

do tải thâm nhập thoáng qua, hoặc trường hợp ngắn

mạch thoáng qua. Lúc này, hệ thống SMES xả năng

lượng tích trữ vào lưới điện, việc xả của hệ thống

SMES dẫn đến điện áp của hệ thống điện đạt đến giá

trị điện áp tham chiếu nhanh hơn khi hệ thống điện

không có trang bị thiết bị SMES. Khi điện áp của hệ

thống điện bằng hoặc cao hơn điện áp tham chiếu,

hệ thống SMES tiếp tục sạc lại, và khi điện áp hạ

(b)

(c)

Hình 4.10. Điện áp của hệ thống SMES, (a) điện áp tại

đầu cuối, (b) tại liên kết DC và (c) tại cuộn SMES khi mục

tiêu thâm nhập được kết nối.

Quan sát hình 4.10, điện áp hệ thống SMES và

tại liên kết tầng DC giảm xuống khoảng 10% so với thấp hơn giá trị tham chiếu, hệ thống SMES sẽ bù

đắp công suất thiếu hụt của hệ thống điện cho đến

khi hệ thống điện phục hồi đến điều kiện làm việc

bình thường. Cứ như thế, hệ thống điện với hệ thống

trạng thái bình thường, điều này ảnh hưởng đến sự

giảm điện áp của hệ thống SMES khi có tải thâm

nhập hệ thống. Tuy nhiên, điện áp của cuộn dây

SMES mang giá trị âm. Nó được trình bày ở chế độ

tăng áp “Boost”, và dòng điện của cuộn dây SMES

đi từ nơi có điện áp thấp đến nơi có điện áp cao hơn

và năng lượng từ cuộn dây SMES sẽ được giải

phóng để bù năng lượng thiếu hụt trong hệ thống

điện.

SMES sẽ làm giảm bớt sự dao động điện áp và góp

phần ổn định hệ thống điện.

5. Kết luận

Kết quả nghiên cứu và đóng góp mới của đề tài

“Ứng dụng SMES (Supperconducting Magnetic

Energy Store: Cuộn dây từ siêu dẫn tích trữ năng

lượng) trong cải thiện chất lượng điện năng” được

thể hiện ở những điểm sau đây:

- Tổng hợp cơ sở lý luận, đánh giá các công trình

nghiên cứu liên quan đến đề tài, xác định nội dung

cần đi sâu giải quyết vấn đề.

Dòng điện tại cuộn dây SMES

- Về nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu lý thuyết và

trình bày một cách tổng thể về hệ thống SMES,

nguyên lý hoạt động của hệ thống SMES, trình bày

tổng quan về mô hình toán học của hệ thống từ đó

làm cở sở xây dựng mô hình hóa hệ thống lưới điện

với việc áp dụng SMES trong môi trường MATLAB

nhằm đánh giá khả năng phục hồi hệ thống khi có sự

cố thoáng qua trên lưới điện.

Hình 4.11. Dòng điện tại cuộn dây SMES khi có thêm phụ

tải thâm nhập.

10

- Sự ổn định của hệ thống điện đóng một vai trò tác dụng, công suất phản kháng, tần số, đảo ngược,

quan trọng để đảm bảo cung cấp an toàn và liên tục cân bằng phụ tải ... Những bất lợi của tình huống

cho phụ tải. Hệ thống từ cuộn dây từ siêu dẫn tích này là một hệ thống điện không thể phân phối được

trữ năng lượng (SMES) đã được phát triển trong nhiều hệ thống SMES trong các ứng dụng khác nhau

phần mềm MATLAB. Sự dao động điện áp được dọc theo hệ thống điện, và nó có thể làm tăng chi phí

giảm nhẹ, bù đắp năng lượng thiếu hụt cho lưới khi đầu tư, không gian, quản lý và môi trường. Một ứng

có đối tượng thâm nhập thoáng qua vào hệ thống dụng đa dạng của hệ thống SMES có thể là những

điện đã được chỉ ra trong hướng phát triển của đề tài thách thức đáng kể và phải đối mặt với hệ thống

này.

kiểm soát phức tạp.

- Ưu điểm của hệ thống SMES là đặc tính "điện trở 6. Phụ lục

gần như bằng không", cho phép đáp ứng động ngay

tức khắc, chu kỳ sống vô hạn, hiệu suất cao, và cho

phép lưu trữ nhiều năng lượng mà không bị mất đi

trong chế độ chờ. Do đó, hệ thống SMES có đặc tính

khả năng giải phóng năng lượng nhanh và có thể

ngay lập tức bồi thường năng lượng cho hệ thống

điện để góp phần đáng kể sự ổn định của hệ thống

điện.

- Trong nhiều nghiên cứu trước, thiết kế đề xuất của

hệ thống SMES đã được tập trung vào mục đích cụ

thể của ứng dụng. Tuy nhiên, trong hệ thống điện, có

nhiều ứng dụng như điều khiển điện áp, công suất

11

PHỤ LỤC A. MÔ HÌNH SIMULINK

Hình.A.1. Mô hình Simulink của hai hệ thống điện với hệ thống có và

không có SMES với trường hợp có tải thâm nhập thoáng qua

Hình.A2. Mô hình Simulink của hệ thống SMES

12

Hình.A.3. Mô hình Simulink của bộ điều khiển VSI

Hình.A.4. Mô hình Simulink của bộ điều khiển DC-DC chopper

PHỤ LỤC B. BẢNG THÔNG SỐ HỆ THỐNG

1.

Thông số hệ thống điện

Thông số về nguồn phát:

Base

voltage X/R

(Vrms

ph-ph)

Line

Voltage

(Vrms) (degree)

Phase A

angle

Fault

level

(MVA)

Frequency

(Hz)

Internal

connection

Load

flow

ratio

13,800

0

50

Yg

2500

13,800

7

swing

Bảng 1.2 Thông số máy phát

13

Thông số máy biến áp tăng áp (step-up) và hạ áp (step-down)

Transformer

Capacity (MVA)

Frequency (Hz)

Step-up

Step-down

100

50

Winding 1

Winding 2

Winding 1

Winding 2

Winding 1

Winding 2

13.8

132

Voltage phase to

phase(Vrms)

11

0.002

0.00

0.08

500

0.002

0.08

0.00

500

Resistance R (pu)

Inductance L (pu)

Magnetization resistance R_m(pu)

Magnetization inductance L_m(pu)

500

Winding 1

Configuration

Yg

D11

Yg

Winding 2

D11

Bảng 1.3 Thông số máy biến áp tăng áp và hạ áp

Thông số đường dây truyền tải :

Number of Frequency Resistance

Inductance

(H/km)

Capacitance

(F/km)

Length (km)

100

phase

(Hz)

(Ω/km)

3

50

0.01273

0.9337e^-3

12.74e^-9

Bảng 1.4 Thông số đường dây truyền tải

Thông số về tải:

Active

Power

(MW)

Inductive

power

(Mvar)

Voltage L- Frequency

Configuration

Load type

L (Vrms)

(Hz)

Constant

Z

Y (grounded)

11,000

50

10

7

Bảng 1.5 Thông số của tải

2.

SMES system

Thông số máy biến áp hạ áp đầu cuối của hệ thống SMES:

Voltage

Power

Frequency

Resistance

(pu)

Inductance

(pu)

capacity

Winding1

(Vrms)

Winding2

(Vrms)

(Hz)

(MVA)

14

10

11,000

400

50

0.002

0.005

Bảng 1.6 Thông số máy biến áp hạn áp tại đầu cuối SMES

Đối tượng tải thâm nhập thoáng qua

3.

Thông số tải thâm nhập thoáng qua, tải thâm nhập có tính chất tiêu thụ công suất phản kháng

Active

Power

(MW)

Inductive

power

(Mvar)

Voltage L-L Frequency

ConHìnhuration

Y (grounded)

Load type

Constant Z

(Vrms)

(Hz)

11,000

50

0

100

Bảng 1.7 Thông số phụ tải thâm nhập thoáng qua

15

6. TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] X.D. Xue, K.W.E. Cheng, D. Sutanto, “A study of the status and future of superconducting magnetic

energy storage in power systems”, Superconductor Science and Technology, 19(6), pp. R31-R39,

2006.

[2] M.G. Molina, P.E. Mercado, et al., “Improved superconducting magnetic energy storage (SMES)

controller for high-power utility applications”, IEEE Trans. on Energy Conversion, Early excess,

2015.

[3] S-T Kim, B-K Kang, S-H Bae, J-W Park, “Application of SMES and grid code compliance to

wind/photovoltaic generation system”, IEEE Trans on Applied Superconductivity, V.23, No.3, 2013.

[4] Y. Ueda, K. Kurokawa, T. Tanabe, K. Kitamura, and H. Sugihara, “Analysis Results of Output

Power Loss Due to the Grid Voltage Rise in Grid-Connected Photovoltaic Power Generation

Systems”, IEEE Trans on Industrial Electronics, Vol. 55, No. 7, 2008, p.2744-2751.

[5] M.J.E. Alam, K.M. Muttaqi, D. Sutanto, “A novel approach for ramp-rate control of solar PV using

energy storage to mitigate output fluctuations caused by cloud passing”, IEEE Trans on Energy

Conversion, V.29, No.2, pp.507 – 518, 2014.

[6] J. Rodriguez, J. S. Lai, and F. Z. Peng, “Multilevel inverters: A survey of topologies, controls, and

applications,” IEEE Trans. Ind. Electron, Aug. 2002, vol. 49, no. 4, pp. 724–738.

[7] C. Luonge, M Steurer, “Modeling of SMES and Its Integration to the Power Grid”, EPRI, Palo Alto,

CA: 2005. 1012153.

[8] M. G. Molina, “Dynamic Modelling and Control Design of Advanced Energy Storage for Power

System Applications”, ISBN 978-953-7619-68-8, January 2010, pp. 50-93.

[9] M.V. Aware, D. Sutanto, “Improved Controller for Power Conditioner Using High-Temperature

Superconducting Magnetic Energy Storage (HTS-SMES)”, IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED

SUPERCONDUCTIVITY, Vol. 13, No. 1, March 2003, pp. 38-47.

[10] D Cuiuri, J Moscop, C Cook, “A FLEXIBLE APPROACH TO ON-SITE POWER FILTERING

AND SUPPLY BACKUP USING HIGH CAPACITY HIGH TEMPERATURE SMES FOR

MAXIMUM EQUIPMENT UTILITY”, The University of Wollongong, Faculty of Engineering,

Wollongong, NSW 2522, Australia, 01/2007, pp 1-6.

Thông tin liên hệ tác giả:

Tp. Hồ Chí Minh, ngày …. tháng …. năm 20178

Xác nhận giáo viên hướng dẫn

Ký tên và ghi rõ họ tên

Họ và Tên: Phan Thanh Cảnh

Đơn vị: Công ty TNHH UPC Holding Vietnam

Điện thoại: 090 363 1019

Email: [email protected]

16

Scanned with CamScanner

BÀI BÁO KHOA HỌC

THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ

Bài báo khoa học của học viên

có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn

Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam.

Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý

của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN!

Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2018-2019 của Thư viện Trường Đại học

Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.