NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG KẾT HỢP VÀ MỨC ĐỘ CHỐNG CHIU ...

Ngô Đức Minh và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 176(16): 81 - 87

81

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: [email protected]

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):

pdSC IIII (1)

mailto:[email protected]


82

0

( )exp 1S S

SC

P

q V IR V IRI 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):


83

IBC = IB cosθ, W/m2

(3)

cosθ = cosβcos( S − C )sin+sinβ cos (4)

Tương ứng, năng lượng mà PVA có thể phát

ra được mô tả như đồ thị trên hình 8,[7].

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


84

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 m

2);

- 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 105

0),

- góc phương vị S =00, góc nghiêng Σ =0

0 .

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:


85

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.


86

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.


87

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: [email protected]

mailto:[email protected]

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG KẾT HỢP VÀ MỨC ĐỘ CHỐNG CHIU ...

Documents

Transcript of NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG KẾT HỢP VÀ MỨC ĐỘ CHỐNG CHIU ...