Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 107

Mã bài: 29
Thiết bị kho điện cho hệ thống phát điện sức gió lưới hải đảo:
Cấu trúc hệ thống, nguyên tắc làm việc và những vấn đề kỹ
thuật cần giải quyết
Energy storage systems for stand-alone wind power generation:
System topology, principles and technical conception
necessities
Phạm Tuấn Anh
Trường ĐH Hàng hải Việt Nam
e-Mail: [email protected]

Nguyễn Phùng Quang
Trường ĐH Bách khoa Hà nội
e-Mail: [email protected]
Tóm tắt
Năng lượng gió là một trong những nguồn năng lượng tái tạo được nghiên cứu - triển khai góp phần
làm giảm sự tiêu thụ năng lượng hóa thạch, kìm hãm sự nóng lên toàn cầu. Lưới điện hải đảo có đặc điểm
“lưới mềm” khi có sự kết hợp giữa nguồn năng lượng truyền thống từ nhiên liệu hóa thạch với năng
lượng gió có đặc điểm cố hữu là sự không ổn định dẫn tới chất lượng điện năng thấp, do đó sự cần thiết
phải có một thiết bị kho điện để đảm bảo chất lượng điện năng. Một giải pháp khả thi là sử dụng thiết bị
kho điện tích hợp vào hệ thống phát điện sức gió lưới điện hải đảo sử dụng công nghệ tiên tiến với đặc
điểm động học nhanh - siêu tụ để có thể thực hiện các chức năng như: Trao đổi công suất với lưới, điều
chỉnh điện áp tại điểm kết nối, nâng cao chất lượng và tính ổn định của hệ thống.
Abstract:
Wind power generation is one of renewable energy which save natural resources and lower the
global warming speed. A negative aspect of the wind power generation is that the output voltage
changes as the wind power changes. A potential solution for stand-alone power generation to smooth
the output of the wind power generation is to use a hybrid energy system in parallel with energy
storage. The potential integrated approach used a shunt-connected voltage-source converter with added
VCM2012
Một hệ thống điện năng có sự kết hợp của một vài
nguồn năng lượng như minh họa trên hình H.1
được gọi là hệ thống năng lượng lai (Hybrid
Power Systems) [1, 2]. Đó là sự vận hành kết hợp
giữa những thiết bị: Thiết bị phát điện sức gió, pin
mặt trời, thiết bị tích trữ năng lượng, thiết bị biến
đổi và điều khiển dòng năng lượng. Với đặc trưng
giàu tài nguyên gió, hơn thế nữa là sự phát triển
tương đối hoàn thiện của công nghệ phát điện sức
gió, năng lượng gió được xem là sự bổ sung lý
tưởng cho hệ thống phát điện khu vực hải đảo
nhằm giảm sự tiêu hao nhiên liệu, nâng cao tuổi
thọ hệ thống D – G.

H. 2 Biểu đồ minh họa năng lượng gió hàng năm
(MidWest of the US) [3]
Tuy nhiên, năng lượng gió với đặc điểm cố hữu là
tính thất thường, biến động nhanh (hình H.2) đòi
hỏi phải có biện pháp kỹ thuật phù hợp để đảm
bảo chất lượng điện năng. Thiết bị kho điện ESS
chính là một giải pháp giúp ổn định công suất,
đảm bảo chất lượng và độ tin cậy, tăng dung lượng
điện năng phối ghép với lưới đặc biệt là lưới điện
hải đảo (vận hành ở chế độ độc lập, mang tính chất
lưới mềm)[4]. Thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ
hứa hẹn khả năng đáp ứng phù hợp với hệ thống
phát điện sức gió do khả năng phóng nạp nhanh,

(Wind Only – WO). Ở chế độ DO, các tổ hợp D-G
cung cấp công suất tác dụng và phản kháng theo
yêu cầu phụ tải. Việc phân chia tải, điều chỉnh
điện áp, tần số được thực hiện bởi việc điều chỉnh
tốc độ các diesel và điều chỉnh dòng kích từ các
máy phát. ESS cũng có thể tham gia và quá trình
điều phối dòng năng lượng để đảm bảo hiệu suất
của các D-Gs lớn nhất. Ở chế độ WD, các WTGs
chia sẻ công suất với các D-Gs thực hiện chức
năng điều chỉnh điện áp và tần số lưới. Lúc này,
thiết bị ESS được sử dụng để hỗ trợ quá trình điều
tiết dòng năng lượng giữa các WTGs và D-Gs để
tránh hiện tượng công suất ngược đối với các D-
Gs. Ở chế độ WO, không có D-G nào hoạt động,
chỉ có các WTGs cung cấp công suất cho lưới để
thực hiện chức năng điều chỉnh điện áp và tần số.
Lúc này cần phải có ESS hỗ trợ việc điều khiển
dòng công suất để đảm bảo chất lượng điện năng
của các WTGs. Như vậy, vai trò của ESS là tương
đối quan trọng trong việc hỗ trợ các thiết bị phát
điện WTGs, D-Gs để đảm bảo chất lượng điện
năng, nâng cao hiệu suất làm việc.
Năng lượng có thể được tích lũy năng lượngdưới
ba hình thức: Điện cơ (Electromechanical, ví dụ
như: bánh đà, khí nén,…), điện hóa
(Electrochemical, ví dụ như: acqui, tế bào nhiên
liệu Fuel Cell), điện (Electrical, ví dụ như: tụ điện,
Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 109
năng lượng từ máy phát sức gió vào lưới sẽ bị hạn
chế về dung lượng để tránh làm biến động biên độ
điện áp vượt quá ngưỡng cho phép. Ý tưởng cơ
bản điều khiển công suất là sử dụng một bộ đệm
(buffer) để phóng/nạp số lượng công suất phù hợp
mà không làm biến động điện áp tại điểm kết nối –
thiết bị kho điện.
3. Các công nghệ tích trữ năng lượng
ESS được phân loại theo nhiều cách khác nhau.
Tùy theo ứng dụng mà ESS cần phải đáp ứng về
công suất cũng như thời gian giải phóng năng
lượng phù hợp như minh họa trên hình H.5. Ví dụ
như: Ứng dụng quản lý năng lượng yêu cầu ESS
phải có dung lượng lớn, thời gian giải phóng có
thể kéo dài hàng giờ; ứng dụng chuyển nguồn yêu
cầu dung lượng thấp hơn, thời gian giải phóng
năng lượng có thể kéo dài cỡ vài phút; ứng dụng
nâng cao chất lượng điện năng và độ tin cậy, ESS
phải có khả năng giải phóng năng lượng nhanh (cỡ
mili giây) [1, 3]. H. 5 Mối quan hệ giữa công suất và thời gian
giải phóng năng lượng theo lĩnh vực ứng
dụng của ESS[1]
Các công nghệ tích trữ năng lượng được nghiên
cứu ứng dụng và triển khai cho đến nay có gặp
như:
 Nhóm điện năng (Electrical energy storage):
Siêu tụ (Supercapacitors – SC hay

xuất phát từ cấu trúc hệ thống phát điện sức gió
như đã trình bày trên hình H.4, sau đó tích hợp
thêm vào WTG một hoặc một vài công nghệ tích
trữ năng lượng.

H. 6 Phân loại các lĩnh vực ứng dụng ESS[1]
Hầu hết các công bố đều nhằm vào các hệ thống
mà WTGs nối với lưới cứng hoặc chỉ xem xét ở
mức độ đơn lẻ WTG mà chưa xem xét hệ thống
phát điện sức gió đối với lưới hải đảo cũng như
ảnh hưởng của việc công tác song song giữa nhiều
WTGs kết hợp với nhiều D-G. Trong nội dung tiếp
theo, tác giả giới thiệu một cấu trúc hệ thống dự
định nghiên cứu có sử dụng thiết bị kho điện để
đảm bảo chất lượng điện năng đối với lưới điện
khu vực hải đảo.
4. Thiết bị kho điện cho hệ thống phát điện
sức gió khu vực hải đảo
Những lưới điện hải đảo được vận hành ở chế độ
độc lập và vận hành ở chế độ độc lập và có đặc
điểm lưới mềm: Điện áp rất kém ổn định và khó
đồng bộ giữa các thành phần của. Việc điều khiển
lưới đòi hỏi phải sử dụng thiết bị kho điện, thiết bị
điều độ điều độ năng lượng và truyền thông giữa
các thành phần. [6]
Để đảm bảo chất lượng điện năng, công nghệ tích
trữ năng lượng đòi hỏi phải có động học nhanh để
đáp ứng được sự biến động bất thường của gió.
Như đã phân tích ở trên, công nghệ tích trữ năng
lượng phù hợp và khả thi nhất ở thời điểm hiện tại

H. 7 Cấu trúc SCESS sử dụng siêu tụ ghép với
lưới AC
Nghịch lưu Inverter là bộ biến đổi sử dụng van
IGBT. Khi điện áp lưới ổn định nghĩa là: khi chức
năng kho điện không cần thiết, nghịch lưu có thể
hoạt động như bộ lọc tích cực, giúp cải thiện hệ số
công suất cũng như chất lượng điện lưới. Khi cần
công suất lớn có thể mắc song song nhiều nghịch
lưu. Ưu điểm khi vận hành ở chế độ lọc tích cực:
Cải thiện hệ số công suất, loại trừ điều hòa bậc
cao, hạn chế tổn thất trên lưới, tăng hiệu suất
truyền tải điện năng.
Chopper ghép nối nghịch lưu với kho điện (bản
chất là dàn siêu tụ) có chức năng biến đổi giảm áp
(buck converter) khi nạp vào kho và chức năng
biến đổi tăng áp (boost converter) khi xả điện hỗ
trợ lưới. Giới hạn dòng nạp/xả khi điện áp quá
thấp nhằm hạn chế tổn hao và quá trình phát nhiệt.
Khi công suất lớn có thể mắc song song nhiều bộ
biến đổi DC/DC.
SCESS được ghép với lưới điện ở những vị trí như
hình H.8 theo hai phương án: Tập trung
(Centralize) hoặc phân tán (Decentralize) [6]. Với
phương án bù tập trung, bộ biến đổi công suất của
thiết bị kho điện phải được thiết kế với công suất
lớn tương ứng với dung lượng kho điện dẫn tới
Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 111 Mã bài: 29

Village
G
3~
G
3~
V
i
l
l
a
g
e
0.4/22 KV
0.4/22 KV
G
3~
0.4/22 KV
22/0.4 KV
D-Decentralize
Bù phân tán
C-Centralize
Bù tập trung
Factory
Airport
G
3~

H. 8 Các phương án lắp đặt SCESS cho lưới hải
đảo
Khâu nghịch lưu (mô hình đơn giản được thể hiện

     
 
     
 
     
     
 

(1)
Để thuận lợi cho việc thiết kế điều khiển, phép
biến đổi Park được sử dụng để đưa các đại lượng
xoay chiều trong (1) về dạng tín hiệu một chiều
như (2).
0 0 0
0 0
0 0
. . 0 0 .
0 0 0
.
invd invd invd
invq invq invq
inv inv inv
pccd
invd
invq pccq
inv pcc
V I I
V R I L I
V I I
V

 
 
 
 
 
 
 
(2)
Sơ đồ cấu trúc thiết kế khâu điều chỉnh dòng điện
được thể hiện ở hình H.10
1
R Ls

1
R Ls

L

L

+
-
+
pcc d
V

+
-
-
pcc q

-
+
Controller
inv d
R

Controller
inv q
R

*
inv d
I

*
inv q
I

+
+
-
-
Current Controller
System Model
inv d
I

inv q
I


nguyên lý hệ phẳng Flatness Based, hệ thụ động
Passivity-based,… khi xem xét các yếu tố phi
tuyến của Chopper như: ảnh hưởng của độ bão hòa
từ cuộn dây, sự thay đổi các tham số của phần tử
tích trữ năng lượng theo chế độ công tác,…
.
.
storage chopper chopper
chopper storage chopper
d
V L I V
dt
d
V V L I
dt
 
 
(3)
Nếu giải quyết tốt bài toán điều khiển các đại
lượng dòng điện Inverter và Chopper sẽ là điều
kiện tiên quyết để thực hiện vấn đề điều khiển sau
đây:
 Điều khiển giữ ổn định điện áp một chiều
Vdc Link:
Việc điều khiển giữ ổn định Vdc Link được thực
hiện thông qua điều khiển I
chopper
theo phương trình
(4)
.

dclink dclink chopper storage invout
C sV s I s V P s
  (6)
2
2.
( )
( ) ( )
storage
out
dc link chopper
dc link storage
V
P s
V s I s
C V


 




 





 
(7)

V
chopper
I

H. 12 Cấu trúc điều khiển điện áp một chiều V
dc link

 Điều khiển ổn định điện áp tại điểm kết
nối Vpcc.
Khả năng điều chỉnh điện áp tại điểm kết nối phụ
thuộc và trở kháng của lưới. Việc điều chỉnh được
thực hiện thông qua thành phần dòng điện ngang
trục của nghịch lưu I
invq
.
a
pcc
V
b
pcc
V
c
pcc
V
c
inv
I
b
inv
I

L
Vpcc c
R
L
C
VDC Link
Iinv a
Iinv b
Iinv c
Vinv a
Vinv b
Vinv c

H. 13 Mô hình đơn giản inverter nối với lưới
Đơn giản hóa mọi yếu tố phi tuyến như ảnh
hưởng của biến áp, sự đóng cắt của van bán dẫn,…
ta có mối quan hệ:
. .
pcca
inva inva src a
pccb source invb source invb src b
invc invc src c
pccc
V
I I V
d
V R I L I V

/ 1/
( ) . ( )
source source
inv d q d
source
source
source
source
source
source
source sou
inv q d
source
source
L L
I s V s V s
R
R
s
s
L
R
L
s
L
L L
I s V s
R
s
L







 

  
 



 





 
2
. ( )
rce
q
source
source
source
source
V s
R

hai thành phần dòng điện dọc trục và ngang trục
của nghịch lưu. Tuy nhiên ở tần số thấp, sự liên hệ
giữa thành phần xen kênh I
inv-q
lớn hơn nhiều sự
ảnh hưởng trực tiếp của I
inv-d
nên việc điều chỉnh
điện áp V
pcc
chỉ được thực hiện thông qua thành
phần ngang trục I
inv-q
. Bộ điều khiển ở đây có thể
được tổng hợp theo nhiều phương pháp khác nhau
như: thiết kế trên miền tần số theo tiêu chuẩn nào
đó hoặc thiết kế điều khiển số. Mặt khác, tham số
trở kháng nguồn là biến động không thể dự đoán
nên cần thiết phải có giải pháp điều khiên thích
nghi để điều chỉnh tham số của bộ điều khiển.
Vấn đề điều chỉnh công suất tác dụng bản chất là
tính toán lượng đặt công suất cho khâu nghich lưu
để ổn định công suất hệ thống nằm trong giới hạn
cho phép. Thành phần công suất tác dụng được
điều khiển thông qua dòng I
inv-d
. Đối với lưới ốc
đảo Hybrid, công suất tác dụng được sinh ra do hai
nguồn phát là D-G và WTGs. Ba chế độ làm việc
của hệ thống điện gió lai diesel như đã giới thiệu ở

"Hybrid2-A hybrid system simulation model," June
30, 2006.
[3] EPRI-PAC-Coporation: "EPRI-DOE Handbook
Supplement of Energy storage for grid connection
wind generation applications," ed: US Department of
Energy, 2004.
[4] David Connolly: "A Review of Energy Storage
Technologies For the integration of fluctuating
renewable energy," ed: University of Limerick, 2010.
[5] R. Teodorescu, M. Liserre, and P. Rodríguez:
(2011). Grid Converters for Photovoltaic and Wind
Power Systems
[6] N. P. Quang: "Hệ thống năng lượng sức gió lai
dành cho hải đải đảo," in Giải pháp đấu nối và hoạt
động hỗn hợp gió - Diesel vào lưới điện Quốc gia và
lưới điện độc lập trên đảo, Thành phố Hồ Chí Minh,
2012.
[7] K. Yoshimoto, T. Nanahara, and G. Koshimizu:
"Analysis of data obtained in demonstration test
about battery energy storage system to mitigate
output fluctuation of wind farm," in Integration of
Wide-Scale Renewable Resources Into the Power
Delivery System, 2009 CIGRE/IEEE PES Joint
Symposium, 2009, pp. 1-1.
[8] N. Mendis, K. M. Muttaqi, S. Sayeef, and S.
Perera: "Application of a hybrid energy storage in a
remote area power supply system," in Energy
Conference and Exhibition (EnergyCon), 2010 IEEE
International, 2010, pp. 576-581.
[9] L. Barote and C. Marinescu: "Storage analysis for

Nguyễn Phùng Quang Sau
khi tốt nghiệp phổ thông Chu
Văn An năm 1970, đi du học
tại Đức (TU Dresden, viết tắt:
TUD). Tháng 9/1975 tốt
nghiệp Dipl Ing. (Uni.) tại
TUD về truyền động điện tự
động. Tháng 11/1991 bảo vệ
luận án Dr Ing. với đề tài về
“Áp nhanh mômen quay cho
động cơ xoay chiều ba pha
nuôi bởi biến tần nguồn áp”.
Trong 4 năm 1992-1995 làm việc tại công ty
REFU Elektronik Metzingen với nhiệm vụ phát
triển thế hệ biến tần mới điều khiển trên cơ sở
phương pháp tựa theo từ thông rotor, tháng 4/1994
bảo vệ và nhận bằng Dr Ing. habil. thuộc lĩnh vực
“Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều
ba pha”. Firmware điều khiển đã được cài đặt
trong các biến tần REFU 402 Vectovar, RD500
(REFU Elektronik), Simovert 6SE42, Master
Drive MC (Siemens).
114 Phạm Tuấn Anh, Nguyễn Phùng Quang VCM2012
Ba năm 1996-1998 là giảng viên tại TUD và tháng
10/1997 được TUD công nhận là Privatdozent.
Tháng 1/1999 quay về Việt Nam và là giảng viên
của ĐHBK Hà Nội từ đó đến nay. Tháng 2/2004

cơ quan công tác từ
năm 2005 cho đến
nay. Từ tháng 2/2011 là Nghiên cứu sinh chuyên
ngành Thiết bị và hệ thống điều khiển tự động tại
Đại học Bách khoa Hà Nội.
Các lĩnh vực nghiên cứu: Hệ thống điều khiển
số, điều khiển điện tử công suất, điều khiển máy
điện, hệ thống năng lượng tái tạo.