Nghiên cứu cấu trúc điều khiển thiết bị kho điện sử dụng trong hệ thống phát điện lai công suất lớn vận hành ở chế độ ốc đảo

Luận văn thạc sỹ

Nghiên cứu thiết kế cấu trúc điều khiển BESS

LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay các nguồn năng lượng dùng nhiêu liệu gặp những vấn đề: nguyên liệu
đang cạn kiệt dần và gây ô nhiễm nghiêm trọng tới môi trường. Cần thiết phải phát
triển sử dụng các nguồn năng lượng sạch như: năng lượng mặt trời, năng lượng gió,
năng lượng sóng biển, địa nhiệt, năng lượng sinh khối... để thay thế. Tuy nhiên một số
vấn đề làm cho việc đưa các nguồn năng lượng này vào ứng dụng một cách rộng rãi
gặp khó khăn như: phát năng lượng không ổn định, phụ thuộc vào thiên nhiên, khá tốn
kém và các vấn đề về công nghệ. Các hệ thống này cần phải có một thiết bị tích trữ
năng lượng nhằm mục đích: lấy bớt để tích lại khi nguồn dư công suất và xả ra khi
năng lượng lưới bị thiếu. Bảo đảm lưới điện vận hành ổn định và tin cậy.
Hệ thống lưới điện sử dụng nguồn năng lượng sức gió thuộc dự án hệ thống phát
điện lai (Hybrid Power System) công suất 7,5MW sức gió kết hợp với máy phát Diesel
7,5MW phục vụ Côn Đảo là một hệ thống vận hành độc lập không hòa lưới điện quốc
gia. Hệ thống có một thiết bị kho điện để giúp san bằng các dao động điện áp của lưới.
Thiết bị tích trữ được sử dụng là tụ hai lớp (Double Layer Capacitor - DLC) hay còn
gọi là siêu tụ (Super/Ultra Capacitor) do có đặc điểm nạp nhanh, xả nhanh phù hợp với
nguồn sức gió thăng giáng liên tục.
Trong phạm vi đề tài là nghiên cứu thiết kế cấu trúc điều khiển bộ biến đổi DC-DC
tăng/giảm áp theo phương pháp tuyến tính hóa chính xác - một phương pháp điều
khiển phi tuyến.
Tôi xin chân thành cảm ơn GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang đã tận tình chỉ bảo,
giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi có thể hoàn thành luận văn thạc sỹ này.

1


Luận văn thạc sỹ

Nghiên cứu thiết kế cấu trúc điều khiển BESS

MỤC LỤC
DANH SÁCH BẢNG, HÌNH VẼ ..................................................................................4
CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT..........................................................................7
Chương 1 Nguyên lý BESS..........................................................................................11
1.1. Các hệ thống tích trữ năng lượng (BESS):.........................................................12
1.1.1. Hệ thống tích trữ năng lượng khí nén (Compressed Air Energy Storage CAES).....................................................................................................................13
1.1.2. Bơm thủy điện (Pumped Hydroelectric Energy Storage - PHES)...............14
1.1.3. Hệ thống tích trữ bánh đà (Flywheel Storage) ............................................15
1.1.4. Hệ thống tích trữ từ trường cuộn dây siêu dẫn (Superconducting Magnetic
Energy Storage - SMES) ........................................................................................17
1.1.5. Hệ thống tích trữ năng lượng sử dụng ắc qui (Battery Storage) .................18
1.1.6. Siêu tụ (Supercapacitor hay Ultracapacitor)................................................18
1.2. Siêu tụ - Hệ thống tích lũy năng lượng cho nguồn sức gió................................20
1.2.1. Năng lượng sức gió......................................................................................20
1.2.2. Siêu tụ (Super/Ultra Capacitor) ...................................................................22
1.3. Nguyên lý BESS cho nguồn sức gió sử dụng DLC ...........................................29
Chương 2 Mô hình toán học của bộ DC-DC tăng/giảm áp và của BESS ...............35
2.1. Mô hình toán học bộ tăng/giảm áp một chiều (Buck/Boost Converter) ............35
2.1.1. Mô hình toán học ở chế độ tăng áp một chiều (Boost): ..............................35
2.1.2. Mô hình toán học ở chế độ giảm áp một chiều (Buck): ..............................40
2.2. Mô hình toán học của BESS................................................................................42

2


Luận văn thạc sỹ

Nghiên cứu thiết kế cấu trúc điều khiển BESS

Chương 3 Phương pháp tuyến tính hóa phản hồi trạng thái cho mô hình bộ biến
đổi DC-DC tăng/ giảm áp ............................................................................................48
3.1. Phương pháp tuyến tính hóa phản hồi trạng thái: ...............................................48
3.2. Áp dụng phương pháp tuyến tính hóa phản hồi trạng thái cho mô hình bộ biến
đổi DC-DC tăng/giảm áp............................................................................................52
Chương 4 Cấu trúc điều khiển bộ biến đổi DC-DC tăng/giảm áp ..........................55
4.1. Cấu trúc kinh điển bộ điều khiển cho bộ biến đổi DC-DC ................................55
4.2. Cấu trúc bộ điều khiển theo phương pháp tuyến tính hóa chính xác bộ biến đổi
DC-DC tăng/ giảm áp.................................................................................................57
Chương 5 Mô phỏng trên Matlab& Simulink...........................................................60
KẾT LUẬN ...................................................................................................................74
PHỤ LỤC......................................................................................................................75
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................78

3


Luận văn thạc sỹ

Nghiên cứu thiết kế cấu trúc điều khiển BESS

DANH SÁCH BẢNG, HÌNH VẼ
Bảng
Bảng 1 So sánh các hệ thống tích trữ hiện nay .............................................................19
Bảng 2 Phát triển năng lượng gió ở châu Á từ năm 2007 đến năm 2008 (MW)..........21
Bảng 3 Tổng hợp các nhà sản xuất siêu tụ....................................................................27

Hình vẽ

Hình 1. 1 Hệ thống lưới điện có sử dụng BESS. ...........................................................12
Hình 1. 2 Phân loại nguyên lý các hệ thống tích trữ năng lượng..................................13
Hình 1. 3 Hệ thống tích trữ năng lượng khí nén. ..........................................................14
Hình 1. 4 Hệ thống PHES. ............................................................................................15
Hình 1. 5 Hệ thống tích trữ năng lượng bành đà. .........................................................17
Hình 1. 6 Hệ thống FESS ghép nối với lưới. ................................................................17
Hình 1. 7 Hệ thống tích trữ năng lượng cuộn dây siêu dẫn ghép nối với lưới xoay
chiều. ..............................................................................................................................18
Hình 1. 8 Tổng công suất năng lượng gió trên thế giới qua các năm ..........................21
Hình 1. 9 Cấu tạo tụ hai lớp ..........................................................................................23
Hình 1. 10 Mô hình tụ hai lớp.......................................................................................24
Hình 1. 11 Ghép nối các phần tử siêu tụ để thành modul .............................................28
Hình 1. 12 Cách ghép nối nối tiếp và song song các tụ ................................................29

4


Luận văn thạc sỹ

Nghiên cứu thiết kế cấu trúc điều khiển BESS

Hình 1. 13 Lưới điện là hệ thống xoay chiều 3 pha được sử dụng trong dự án............30
Hình 1. 14 Lưới điện là hệ thống một chiều .................................................................30
Hình 1. 15 Hệ thống tích trữ năng lượng ghép nối với lưới xoay chiều ba pha ...........33
Hình 2. 1 Mạch biến đổi tăng/giảm áp một chiều..........................................................35
Hình 2. 2 Chế độ Boost .................................................................................................36
Hình 2. 3 Mạch tương đương ở chế độ Boost khi van T1 dẫn, uo = 1 ..........................37
Hình 2. 4 Mạch tương đương ở chế độ Boost khi diod D2 dẫn, uo = 0 ........................38
Hình 2. 5 Chế độ Buck..................................................................................................41
Hình 2. 6 Mạch tương đương ở chế độ Buck: (a) van T2 ngắt; (b) van T2 dẫn ...........41

Hình 2. 7 Mô hình hệ thống tích trữ năng lượng ghép nối với lưới xoay chiều ba pha 42
Hình 2. 8 Mạch tương đương của BESS.......................................................................43
Hình 2. 9 Sơ đồ khối cấu trúc mô hình động học của BESS ........................................46
Hình 3. 1 Điều khiển tuyến tính hóa chính xác quan hệ vào-ra đối tượng phi tuyến ....49
Hình 3. 2 Tuyến tính hóa chính xác quan hệ vào-trạng thái đối tượng phi tuyến .........50
Hình 4. 1 Hai cấu trúc điều khiển bộ biến đổi DC-DC: (a) Chế độ điều khiển điện áp;
(b) Chế độ điều khiển dòng điện....................................................................................55
Hình 4. 2 Cấu trúc điều khiển phản hồi trạng thái gán điểm cực cho bộ biến đổi DC
tăng/giảm áp ...................................................................................................................59
Hình 5. 1 Mô hình mô phỏng trên Matlab & Simulink chế độ Boost............................60
Hình 5. 2 Kết quả mô phỏng chế độ Boost khi các thiết bị được coi là lý tưởng.........62
Hình 5. 3 Các giá trị Ir, IL, Vout mô phỏng khi các thiết bị là lý tưởng .......................63

5


Luận văn thạc sỹ

Nghiên cứu thiết kế cấu trúc điều khiển BESS

Hình 5. 4 Cấu trúc mô phỏng khi thêm khâu tích phân và mô hình không lý tưởng, có
dao động điện áp đầu vào E, tải R..................................................................................64
Hình 5. 5 Giá trị hệ số Boost khi có biến thiên E, R và mô hình không lý tưởng ........65
Hình 5. 6 Các giá trị dòng IR , IL , Vout khi mô hình là không lý tưởng .......................66
Hình 5. 7 Điện áp đầu ra khi không sử dụng khâu tích phân........................................67
Hình 5. 8 Điện áp đầu ra khi có sử dụng khâu tích phân ..............................................68
Hình 5. 9 Cấu trúc mô phỏng chế độ Buck...................................................................69
Hình 5. 10 Giá trị dòng điện và điện áp trên DLC chế độ Buck..................................70
Hình 5. 11 Mô phỏng kết hợp cả 2 chế độ Buck/Boost sử dụng DLC .........................71
Hình 5. 12 Hệ số Boost, Vscap và điện áp đầu ra........................................................72

Hình 5. 13 Hệ số Buck, Vscap và iL.............................................................................73

6


Luận văn thạc sỹ

Nghiên cứu thiết kế cấu trúc điều khiển BESS

CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Kí hiệu
C

Điện dung tụ điện

CB1

Điện dung nối tiếp kho điện khi nạp/ xả

CBP

Điện dung của kho điện

Cscap

Điện dung của siêu tụ

d

Khoảng cách giữa hai bản cực

E

Điện áp trên siêu tụ

EDO

Điện áp một chiều cực đại qua mạch biến đổi AC-DC

Emax

Điện áp cực đại

EN

Điện áp trên siêu tụ đã được chuẩn hóa

i

Dòng điện qua cuộn dây

Iabc

Véc tơ dòng điện qua kho điện hệ tọa độ αβ

I BES

Véc tơ dòng điện qua kho điện trên trục d

IBESd

Dòng điện qua kho điện trên trục q

IBESq

Dòng điện qua kho điện

iC

Dòng điện qua tụ trên DC Bus

Imax

Dòng điện cực đại

Iodq

Véc tơ dòng điện qua kho điện hệ tọa độ dq

iR

Dòng điện qua điện trở tải

L

Điện cảm cuộn dây

7

Luận văn thạc sỹ

Nghiên cứu thiết kế cấu trúc điều khiển BESS

PBES

Công suất hiệu dụng qua hệ thống kho điện (BESS)

PDC

Công suất hiệu dụng qua phần tử kho điện

q

Số xung của mạch biến đổi

QBES

Công suất phản kháng qua hệ thống kho điện (BESS)

QDC

Công suất phản kháng qua phần tử kho điện

R

Điện trở trên mạch DC Bus

RB1

Điện trở nối tiếp kho điện khi có nạp/xả

RBP

Điện trở đặc trưng cho khả năng tự xả của kho điện

RBS

Điện trở trong của kho điện

RBT

Điện trở gây bởi ghép nối các phần tử của kho điện với nhau

T

Chu kì PWM

T1

Thời gian van bán dẫn T1 dẫn trong 1 chu kì T

T2

Thời gian van bán dẫn T2 dẫn trong 1 chu kì T

UBES

Tín hiệu điều khiển phụ

uo

Hệ số Boost

uu

Hệ số Buck

Vabc

Véc tơ điện áp trong hệ tọa độ αβ

VB1

Sụt áp gây ra khi kho điện nạp/xả

VBOC max

Điện áp cực đại đặt lên kho điện

VBOC min

Điện áp cực tiểu đặt lên kho điện

VBT

Điện áp trên kho điện

vdc

Điện áp trên DC Bus

VL - L

Điện áp hiệu dụng pha - pha

VL - N

Điện áp hiệu dụng pha - đất
8


Luận văn thạc sỹ

Nghiên cứu thiết kế cấu trúc điều khiển BESS

Vodq

Véc tơ điện áp trong hệ tọa độ dq

Vt

Véc tơ điện áp xoay chiều của lưới

vscap

Điện áp trên siêu tụ

x

Véc tơ biến trạng thái

x1, x2

Các biến trạng thái

XCO

Điện kháng chuyển mạch của mạch biến đổi AC-DC

Y-∆

Mắc sao - tam giác

αR

Góc mở của mạch biến đổi AC-DC ở chế độ nạp

βI

Góc mở của mạch biến đổi AC-DC ở chế độ xả

φI

Góc mở tương đương của phần tử kho điện ở chế độ xả

φR

Góc mở tương đương của phần tử kho điện ở chế độ nạp

Chữ viết tắt
AC

Điện xoay chiều

BESS

Hệ thống tích trữ năng lượng

CAES

Hệ thống tích trữ khí nén

D1, 2

Diod 1, 2

DC

Điện một chiều

DC-AC

Mạch chỉnh lưu/ nghịch lưu

DC-DC

Bộ biến đổi một chiều - một chiều

DLC

Tụ hai lớp

dq

Hệ tọa độ đồng bộ

FESS

Hệ thống tích trữ sử dụng bánh đà

9


Luận văn thạc sỹ

Nghiên cứu thiết kế cấu trúc điều khiển BESS

MBA

Máy biến áp

PHES

Hệ thống tích trữ bằng hồ thủy điện

PWM

Điều chế độ rộng xung

SMES

Hệ thống tích trữ cuộn dây siêu dẫn

SC/UC

Siêu tụ

T1, 2

Van bán dẫn 1, 2 (IGBT hay MOSFET)

αβ

Hệ tọa độ đứng yên

10


Luận văn thạc sỹ

Nghiên cứu thiết kế cấu trúc điều khiển BESS

Chương 1

Nguyên lý BESS

BESS: viết tắt của Battery Energy Storage System là hệ thống tích trữ năng lượng
một chiều (DC).
Một hệ thống điện gồm tải và nguồn: vận hành ở chế độ bình thường thì công suất

tải và nguồn cân bằng (sự cân bằng về cả công suất hiệu dụng P và công suất phản
kháng Q, thể hiện giá trị tần số và điện áp lưới luôn ở giá trị định mức). Nếu khi tải
tăng (hệ thống các động cơ công suất lớn khởi động, nhu cầu điện ban ngày lớn...) hoặc
nguồn giảm (sự cố trên đường dây làm cắt bớt nguồn) làm cho năng lượng cấp cho tải
bị thiếu (lưới điện mất ổn định thể hiện ở giá trị tần số và điện áp lưới giảm). Lưới điện
muốn trở lại ổn định và cân bằng thì phải cắt bớt tải đi hoặc khởi động thêm một nguồn
dự phòng. Nếu tải giảm (các động cơ công suất lớn dừng, nhu cầu điện về đêm nhỏ...)
hoặc nguồn tăng, năng lượng cấp cho tải bị dư thừa (tần số và điện áp lưới tăng)
thường thì cắt bớt nguồn hoặc cho xả qua một tải nhiệt. Trong cả hai trường hợp đó
đều không đảm bảo sự cân bằng và ổn định lưới điện( muốn cắt nguồn, thêm nguồn,
cắt tải đều cần thời gian điều này không tốt cho lưới điện. Hệ thống điện vẫn sẽ bị mất
cân bằng một thời gian. Mặt khác việc có tải bị cắt khi có dao động lưới một thời điểm
ngắn là khó chấp nhận), gây thất thoát năng lượng. Như vậy đặt ra vấn đề cần một thiết
bị khi năng lượng lưới bị thiếu sẽ xả bù vào, khi năng lượng lưới thừa nó sẽ lấy bớt và
tích lũy (để dùng khi thiếu chứ không xả vô công).

11


Luận văn thạc sỹ

Nghiên cứu thiết kế cấu trúc điều khiển BESS

1.1. Các hệ thống tích trữ năng lượng (BESS):

Hình 1. 1 Hệ thống lưới điện có sử dụng BESS.

Một hệ thống điện có sử dụng hệ thống tích trữ năng lượng BESS (Battery Energy
Storage System) có cấu trúc như hình 1.1: Hệ thống BESS được ghép nối với lưới điện
thường qua một máy biến áp (MBA). Dòng điện năng có thể đi theo hai chiều: từ lưới

nạp vào BESS hoặc xả từ BESS trở lại lưới.

12


Luận văn thạc sỹ

Nghiên cứu thiết kế cấu trúc điều khiển BESS

Hình 1. 2 Phân loại nguyên lý các hệ thống tích trữ năng lượng.

Nguyên lý các hệ thống tích trữ năng lượng được mô tả trên hình 1.2 dựa trên sự
phân loại theo ứng dụng: Ứng dụng cho lưới công suất lớn và ứng dụng trong phân
phối điện năng.
Trong phạm vi đề tài là các ứng dụng cho lưới công suất lớn, bao gồm:
1.1.1. Hệ thống tích trữ năng lượng khí nén (Compressed Air Energy Storage - CAES)
Năng lượng sinh ra từ các nguồn năng lượng mới được sử dụng để chạy các máy
nén khí (Compressors), sẽ nén khí vào một bình kín đặt dưới lòng đất (Storage
Receiver). Khi nhu cầu năng lượng tăng cao, bộ điều khiển dòng/áp suất
(Pressure/Flow Controller) sẽ giải phóng khí nén để chạy turbine máy phát phát năng
lượng vào lưới. Như trên hình vẽ 1.3.
Khả năng tích trữ năng lượng của hệ thống nén khí phụ thuộc thể tích bình chứa và
áp suất cực đại của khí nén.

13


Luận văn thạc sỹ

Nghiên cứu thiết kế cấu trúc điều khiển BESS

Hệ thống điều khiển dòng/áp suất

Hệ thống nén

Bình chứa

Hình 1. 3 Hệ thống tích trữ năng lượng khí nén.

1.1.2. Bơm thủy điện (Pumped Hydroelectric Energy Storage - PHES)
Được mô tả như trên hình 1.4. Năng lượng dư được sử dụng để chạy động cơ máy
bơm hút nước lên một bể chứa trên cao. Nước trên bể chứa này được giải phóng qua
các đường ống làm chạy các turbine máy phát điện khi tải cao. PHES có hai hồ chứa:
Một hồ trên cao (Upper water storage) để bơm nước lên tạo thế năng chạy turbine máy
phát điện; Hồ thứ hai thấp hơn (Lower water storage) dùng để chứa nước chảy từ
turbine máy phát ra, phục vụ tái sử dụng bơm trở lại hồ thứ nhất.

14


Luận văn thạc sỹ

Nghiên cứu thiết kế cấu trúc điều khiển BESS

Hệ thống PHES thường vận hành trong 40-60 năm và cho các ứng dụng công suất
rất lớn.

Hồ chứa trên

Phát điện năng trở

vào lưới

Năng lượng dư từ
lưới dùng để bơm
nước tích trữ

Turbine

Máy phát điện

Bơm
Động cơ điện
Hồ chứa dưới

Hình 1. 4 Hệ thống PHES.

1.1.3. Hệ thống tích trữ bánh đà (Flywheel Storage)
Hệ thống tích lũy năng lượng sử dụng bánh đà (Flywheel Energy Storage System FESS) thường cho các ứng dụng công suất nhỏ. Năng lượng tích lũy trong bánh đà là
động năng gây ra bởi chuyển động quay của bánh đà. Khi bánh đà quay năng lượng
tích lũy được tính theo công thức:

E=

1
Jω 2
2

(1.1)

Trong đó: J là mô men quán tính của bánh đà, ω là vận tốc góc.

Bánh đà được đặt trong một hình trụ rỗng nâng bởi từ trường để giảm tối đa ma sát
giữa trục và mặt chân đế. Trục bánh đà nối với trục rotor của các máy điện. Một máy
điện hoạt động ở chế độ động cơ để tăng tốc cho bánh đà khi cần tích trữ năng lượng.

15


Luận văn thạc sỹ

Nghiên cứu thiết kế cấu trúc điều khiển BESS

Một máy điện hoạt động ở chế độ máy phát điện cho phép động năng của bánh đà
chuyển thành điện năng phát lên lưới. Như vậy dòng năng lượng chảy theo hai chiều.
Hai máy điện có thể được tích hợp thành một máy điện duy nhất vừa có thể làm động
cơ vừa làm máy phát. Năng lượng dư từ lưới khởi động máy điện dưới dạng động cơ,
làm tăng vận tốc góc cho bánh đà quá trình tích lũy năng lượng bắt đầu. Khi cần thêm
năng lượng cho lưới, máy điện trở thành máy phát điện. Bánh đà quay rotor của máy
phát, điện năng được đưa trở vào lưới.
Khả năng tích trữ năng lượng của FESS phụ thuộc vào khối lượng, hình dạng của
bánh đà và vận tốc góc cực đại.
Hai loại bánh đà được sử dụng: Một là những hệ thống bánh đà nhỏ quay với tốc độ
rất cao trên 50000 rpm; Loại thứ hai có tốc độ nhỏ, bánh đà lớn. Tốc độ chỉ đạt khoảng
7000 rpm nhưng đường kính bánh đà có thể đến hàng mét.
FESS sử dụng trong các ứng dụng cho nguồn năng lượng mới thường kết hợp với
các hệ thống tích lũy năng lượng khác như micro CAES hay các hệ thống tích lũy năng
lượng nhiệt (Thermal Energy Storage Systems).
Hình 1.5 biểu diễn FESS với động cơ và máy phát riêng biệt. Còn hình vẽ 1.6 mô tả
FESS ghép nối với lưới. Khi năng lượng dư được dùng chạy động cơ làm quay bánh
đà. Còn khi phát, động năng bánh đà sẽ làm rotor máy phát điện chạy đưa năng lượng
qua mạch chỉnh lưu, nghịch lưu lên lưới.

16


Luận văn thạc sỹ

Nghiên cứu thiết kế cấu trúc điều khiển BESS
Hình 1. 5 Hệ thống tích trữ năng lượng bành đà.

VSD

Bánh đà

Động cơ

Máy phát

Chỉnh lưu

Nghịch lưu

Hình 1. 6 Hệ thống FESS ghép nối với lưới.

1.1.4. Hệ thống tích trữ từ trường cuộn dây siêu dẫn (Superconducting Magnetic
Energy Storage - SMES)
Năng lượng được tích lũy trong từ trường của cuộn dây siêu dẫn, đặt ở nhiệt độ rất
thấp. Ở nhiệt độ này điện trở của cuộn dây bằng không vì thế nếu có dòng điện chạy
trong cuộn dây thì nó sẽ duy trì mãi và mất mát năng lượng là rất nhỏ (chỉ là mất mát
do từ trường, điện trường). Dòng điện trong cuộn dây siêu dẫn là dòng điện một chiều,
năng lượng tích lũy được xác định:

E=

1 2
LI
2

(1.2)

Trong đó L là điện cảm của cuộn dây, I dòng điện một chiều chạy trong cuộn dây.
Năng lượng xoay chiều của lưới được chỉnh lưu thành một chiều tích lũy trong cuộn
dây siêu dẫn và khi cần năng lượng một chiều trong cuộn dây được nghịch lưu thành
xoay chiều bơm vào lưới.
Hiệu suất của SMES rất cao từ 95% đến 98%, thời gian đáp ứng cực nhanh cỡ mili
giây.
Nhược điểm của SMES là mật độ năng lượng thấp và cần hệ thống làm lạnh ở nhiệt
độ rất thấp nên cho các ứng dụng lớn thường rất phức tạp. Vì thế nó thường kết hợp
với các hệ thống tích lũy khác để tăng năng lượng và công suất.

17


Luận văn thạc sỹ

Nghiên cứu thiết kế cấu trúc điều khiển BESS

Hình 1. 7 Hệ thống tích trữ năng lượng cuộn dây siêu dẫn ghép nối với lưới xoay chiều.

1.1.5. Hệ thống tích trữ năng lượng sử dụng ắc qui (Battery Storage)
Là hệ thống tích trữ năng lượng một chiều sử dụng cho các ứng dụng công suất lớn,

vừa và nhỏ. Hệ thống cần mạch chỉnh lưu từ xoay chiều sang một chiều khi nạp và
mạch nghịch lưu một chiều thành xoay chiều khi xả.
Năng lượng tích lũy trong ắc qui là năng lượng điện hóa. Mật độ công suất không
cao và nạp chậm là những nhược điểm làm cho ứng dụng của ắc qui ngày càng bị hạn
chế. Nhiệt độ ắc qui thay đổi trong quá trình nạp và xả nên cần phải được điều khiển để
bảo đảm tuổi thọ cho ắc qui.
Các loại ắc qui được sử dụng ngày nay đó là: Lead Acid, Lithium Ion, Hydrogen
Vanadium Redox, Zinc Bromide...
1.1.6. Siêu tụ (Supercapacitor hay Ultracapacitor)
Siêu tụ còn gọi là tụ hai lớp (Double Layers Capacitor- DLC). Với những ưu điểm
nổi trội sẽ được phân tích kỹ ở phần sau cho thấy phù hợp với hệ thống điện nguồn sức
gió.

18


Luận văn thạc sỹ

Nghiên cứu thiết kế cấu trúc điều khiển BESS

Các hệ thống tích trữ CAES

PHES

FESS

SMES

Ắc qui

DLC

hàng kW

1-

1kW-

< 1MW

100MW

200MW

530

106-7067

176678

Các thông số
Dải ứng dụng
Mật độ công suất
3

25-350 MW
cao hơn

(kW/m )

PHES

Mật độ năng lượng

cao hơn

(kWh/m3)

PHES

Tuổi thọ (năm)

2.1 GW
-

7071767

-

282-424

707

7-247

53

20-25

40-60

30

30

07

20-30

Hiệu suất

> 60%

75-80%

90-95%

95%

60-80%

> 95%

Giá thành ($/kWh)

-

-

40-80

200

25-120

85

Thời gian đáp ứng

12 phút

12 phút

12 phút

mili giây

giây

mili giây

Thuận lợi

so sánh với

Tuổi thọ

hiệu suất

hiệu suất

Mật độ

dòng

PHES thì có

lâu

cao, chu

rất cao,

năng

nạp/xả

mật độ công

kì sử

thời gian

lượng lớn

lớn, tuổi

suất và năng

dụng lớn

đáp ứng

thọ cao,

nhanh

mật độ

lượng lớn
hơn

công suất
lớn

Nhược điểm

Không gian

vấn đề

Dải công

Nhiệt độ

Mật độ

Mật độ

lớn

về sinh

suất nhỏ

thấp-

công suất

năng

thái, cần

nhạy với

nhỏ;

lượng

hai bình

sự thay

Nạp chậm

nhỏ;

chứa,

đổi nhiệt

Ảnh

Giá

không

độ

hưởng đến

thành cao

gian lớn

Từ

môi

trường

trường

lớn

Bảng 1 So sánh các hệ thống tích trữ hiện nay

19

Luận văn thạc sỹ

Nghiên cứu thiết kế cấu trúc điều khiển BESS

1.2. Siêu tụ - Hệ thống tích lũy năng lượng cho nguồn sức gió
1.2.1. Năng lượng sức gió
• Đặc điểm hệ thống năng lượng sức gió trong dự án:

- Năng lượng sức gió có đặc điểm thăng giáng nhanh, lớn (phụ thuộc vào tốc độ gió
mà tốc độ gió lúc lớn lúc nhỏ, thậm chí có khi ngừng) vì thế làm cho lưới luôn ở trạng
thái mất ổn định lớn về công suất. BESS phải có khả năng nạp nhanh khi nguồn sức
gió mạnh và xả nhanh bù vào khi nguồn sức gió yếu để giữ ổn định hệ thống lưới điện.

- Máy phát điện Diesel hoạt động có hiệu suất cao nhất ở giải công suất danh định.
Nên khi năng lượng sức gió yếu BESS không có khả năng bù cho lưới, máy phát
Diesel sẽ khởi động và hoạt động ở giá trị danh định. Nếu lúc này năng lượng trong
lưới điện bị dư thừa sẽ được nạp trở vào BESS.

- Hệ thống hoạt động độc lập với lưới điện quốc gia (không hòa lưới điện).
• Một số dự án năng lượng sức gió: Hình 1.8 biểu diễn tổng công suất năng lượng
sức gió trên toàn thế giới từ năm 1996 đến năm 2008 (số liệu từ Hội đồng năng lượng
gió toàn cầu - GWEC). Trong đó quốc gia có công suất năng lượng sức gió lớn nhất là
Mỹ với 25.170 MW (chiếm 20,8% toàn thế giới). Việt Nam cũng đã khởi đầu với các
nhà máy phong điện ở Bình Thuận đang có những bước tiến trong sản xuất phong điện.
Phong điện đang được phát triển mạnh mẽ trên thế giới với tốc độ tăng trưởng hàng
năm gần 30%.

20

Luận văn thạc sỹ

Nghiên cứu thiết kế cấu trúc điều khiển BESS

Hình 1. 8 Tổng công suất năng lượng gió trên thế giới qua các năm

Châu Á

Cuối năm 2007

Mới 2008

Trung Quốc
Ấn Độ
Nhật Bản
Đài Loan
Hàn Quốc
Việt Nam
Khác (2)
Tổng số

5.910
7.845
1.528
281
193
25
5
15.787

6.300
1.800
356
81
43
8
1
8.589

Tổng số cuối năm
2008
12.210
9.645
1.880
358
236
33
6
24.368

Bảng 2 Phát triển năng lượng gió ở châu Á từ năm 2007 đến năm 2008 (MW)

- Các trang trại năng lượng sức gió tại bang Texas (Mỹ) có tổng công suất lên tới
9.727 MW với hơn 40 dự án khác nhau. Là khu vực tạo ra năng lượng sức gió lớn nhất
của Hoa Kỳ. Với nhiều các nhà máy phong điện lớn (wind farms) như: Roscoe (781
MW), Horse Hollow (735 MW), Sweetwater (585 MW)...

- Nhà máy phong điện ở Tuy Phong, Bình Thuận có tổng công suất lên tới 120 MW
đã phát điện vào lưới điện quốc gia giai đoạn I. Và dự kiến hoàn thành vào năm 2012.

21


Luận văn thạc sỹ

Nghiên cứu thiết kế cấu trúc điều khiển BESS

1.2.2. Siêu tụ (Super/Ultra Capacitor)
Siêu tụ là thiết bị có mật độ công suất và mật độ năng lượng lớn, hiệu suất cao và
có tuổi thọ lâu. Thường được dùng ở các thiết bị tích trữ năng lượng. Cũng giống như
tụ thông thường siêu tụ có đặc điểm xả và nạp đều rất nhanh.
Năm 1957 các kỹ sư General Electric đã tình cờ phát hiện ra các thiết bị có dung
lượng cao khi sử dụng các bon xốp làm điện cực. Lúc đó họ không giải thích được cơ
chế hoạt động của nó. Tuy nhiên General Electric đã không phát triển theo hướng này.
Năm 1966 các nghiên cứu tại Standard của Ohio đã tình cờ phát hiện ra siêu tụ khi họ
đang làm việc thiết kế phát triển pin nhiên liệu (fuel cell). Họ sử dụng hai lớp than hoạt
tính được ngăn cách bởi một lớp các bon xốp mỏng, thiết kế này về cơ khí cơ bản vẫn
là cơ sở của hầu hết tụ điện hai lớp. Tuy nhiên Standard Oil cũng thất bại trong việc
thương mại hóa phát minh này, sau đó đã chuyển giao bản quyền cho NEC - Công ty
này đã chế tạo thành công siêu tụ vào năm 1978 để cung cấp điện dự phòng cho bộ nhớ
máy tính. Từ năm 1990 với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ vật liệu siêu tụ ngày
càng được chế tạo cải thiện hiệu suất, mật độ công suất, năng lượng và giảm về giá
thành. Đến năm 2005 thị trường siêu tụ đã có doanh thu lên tới 400 triệu USD.
• Cấu tạo tụ điện hai lớp (Double Layers Capacitor): Cấu tạo từ hai bản cực, một mặt
phân cách chia lớp điện môi ở giữa làm hai nên nó được gọi làm tụ điện hai lớp như
trên hình 1.8 . Hai bản cực (Terminal) được làm từ các bon hoạt tính, có cấu trúc gồm
nhiều lỗ trống tạo nên diện tích mặt tiếp xúc lớn. Lớp phân cách (Separator) giữa hai
bản cực cho phép chuyển động qua lại dễ dàng của các ion - các ion này tạo ra từ dung
dịch điện phân (Liquid Electrolyte) nhưng vẫn tạo nên vùng phân cách về điện.

22


Luận văn thạc sỹ

Nghiên cứu thiết kế cấu trúc điều khiển BESS

Hình 1. 9 Cấu tạo tụ hai lớp

Điện dung của tụ hai lớp được xác định như sau:

C = ε 0ε

A
d

(1.3)

Với ε0 là hằng số điện môi, ε là hằng số điện môi của dung môi giữa không gian hai
bản cực, A diện tích bề mặt, d là khoảng cách giữa hai bản cực. Với cấu trúc như trên
làm tăng diện tích bề mặt A và làm giảm khoảng cách d. Từ đó làm tăng giá trị điện
dung C của tụ hai lớp lên rất nhiều so với tụ bình thường cùng kích thước, khối lượng.
Siêu tụ có những ưu điểm nổi trội sau:

- Phóng nhanh, nạp nhanh: một tụ điện luôn có đặc điểm là phóng nhanh, nạp nhanh
(tuy nhiên tụ thường thì có điện dung quá nhỏ), siêu tụ cũng được thừa hưởng đặc điểm
này. Điều này rất phù hợp với nguồn sức gió thăng giáng nhanh, mạnh và liên tục. Khi
lưới có dao động điện áp, tần số mạnh, BESS sử dụng DLC sẽ nhanh chóng giải phóng
năng lượng bù vào lưới hoặc nạp lấy năng lượng dư thừa để bảo đảm ổn định lưới điện.

- Điện trở trong nhỏ.
- Mật độ công suất lớn: lên tới 10000 W/kg
23


Luận văn thạc sỹ

Nghiên cứu thiết kế cấu trúc điều khiển BESS

- Hiệu suất cao: trên 95%
- Tuổi thọ dài: 20 - 30 năm hoặc tới hàng trăm nghìn chu kì nạp/xả
Tuy nhiên cũng có nhược điểm:

- Mật độ năng lượng thấp: cỡ 5 Wh/kg chỉ bằng 1/20 so với ắc qui
- Giá thành cao: 20 USD/Wh gấp 10 lần so với Ắc qui loại Lithium-ion
Trong tương lai với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ đặc biệt là công nghệ
nano hai nhược điểm trên sẽ được khắc phục dần.
• Mô hình tụ hai lớp( hay còn gọi là siêu tụ) DLC:
Theo [1] mô hình tụ hai lớp được mô tả ở hình 1.9

Hình 1. 10 Mô hình tụ hai lớp

Tham số đặc trưng cho khả năng tích trữ năng lượng là điện dung C. Giá trị này
không phải là hằng số mà phụ thuộc vào điện áp đặt lên hai bản cực của tụ điện. Bao
gồm một điện dung không đổi C0 mắc song song với điện dung Cu phụ thuộc tuyến tính
điện áp. Điện dung C của tụ hai lớp:
C = C0 + Cu = C0 + Ku

(1.4)

Từ giá trị điện dung C ta xác định được dòng điện và năng lượng tích trữ trên tụ hai
lớp:

24


Luận văn thạc sỹ

Nghiên cứu thiết kế cấu trúc điều khiển BESS

Q = Cu ⇒ ic =

dQ
du
= (C0 + 2 Ku )
dt
dt

(1.5)

Năng lượng tích trữ :

P = ic u = (C0 + 2 Ku )u

du
1
4
⇒ Wc = (C0 + Ku )u 2
dt
2

3

(1.6)

Hai tham số quan trọng của tụ hai lớp đó là điện trở nối tiếp Rs và điện trở song
song Rl. Điện trở nối tiếp Rs đặc trưng điện áp sụt giảm trong quá trình nạp và xả. Giá
trị này ảnh hưởng tới hiệu suất năng lượng nạp/xả và mật độ công suất trên phần tử
siêu tụ. Điện trở song song Rl đặc trưng cho năng lượng tự phóng của tụ hai lớp. Thông
thường giá trị điện trở Rl lớn hơn rất nhiều so với điện trở Rs. Và các thành phần mạch
RC mắc song song.
Năng lượng tích trữ trên tụ :

1
EM = CU M2
2

(1.7)

Trong đó UM là điện áp cực đại của tụ, C là điện dung. Khi tụ xả, điện áp giảm về 0
thì toàn bộ năng lượng sẽ được giải phóng, nhưng điều này là không thể vì dòng cung
cấp bởi siêu tụ bị giới hạn. Vì thế giá trị điện áp phải được giới hạn khi tụ xả, gọi giá trị
này là Um, ta định nghĩa:

d=

Um
*100
UM

(1.8)

Như vậy giá trị năng lượng được tích lũy/ giải phóng cực đại trên một phần tử siêu
tụ được xác định là:

Emax

⎛ ⎛ d ⎞2 ⎞
= EM ⎜ 1 − ⎜
⎜ ⎝ 100 ⎟⎠ ⎟⎟
⎝
⎠

25

(1.9)