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

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.02 MB, 7 trang )

(1)<div class='page_container' data-page=1>

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 Cơng nghiệp - ĐH Thái Ngun

TĨM 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,
cơng cụ tính tốn, 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 tịa nhà,V.V. Các nghiên cứu có sử dụng phần mềm ETAP đảm bảo cho việc mơ hình hóa
mơ phỏng mạng điện chính xác, tin cậy, thiết bị được lựa chọn theo chuẩn quốc tế. Các thông số
mạng điện ln được kiểm sốt để làm cơ sở cho điều khiển và tự động hóa mạng điện.

Từ khóa: G-PVA, mạng điện tịa nhà, PV-Inverter, PVA, phân bố cơng 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 cơng suất nhỏ. Các PV
Array (PVA) được lắp đặt trực tiếp trên các tịa

nhà, căn hộ, V.V, như mơ tả trên hình 1, [4,5].

Hình 1. Nguồn PVA trong mạng điện tịa nhà 
Trước đây, những mơ 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:

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, Mơ hình hóa

mơ 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 mơ tả
bằng mơ hình vật lý và sơ đồ mạch điện thay
thế như trên hình 2, [2].

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

p
d
SC I I I

I   

</div>
(2)<div class='page_container' data-page=2>

( )

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 mơ tả trên hình 5

2- Giờ trong ngày: vị trí mặt trời thể hiện qua
góc hướng mặt trời S, góc độ cao  như mơ

tả trên hình 6.

N
E

W
S

Giữa
trưa

Hồng
hơn
Bình

minh

Φs

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 mơ tả trên hình 7.

</div>
(3)<div class='page_container' data-page=3>

IBC = IB cosθ, W/m
2

(3)

cosθ = cosβcos(



S−



C)sin+sinβ cos (4)
Tương ứng, năng lượng mà PVA có thể phát
ra được mơ 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 tịa 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 trị 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 mơ hình
hóa mơ phỏng mạng điện. Thơng qua đó, các
các kết quả tính tốn giải tích mạch điện thu
được nhanh, chính xác và thuận lợi cho việc
hiệu chỉnh sửa chữa trong các lưu đồ thuật
tốn. 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 cơng suất nhỏ hơn.

Mơ hình hóa mơ phỏng mạng điện tịa 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 mơ 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
tốn giải tích mạch điện nhanh, chính xác và
tin cậy, kết quả tính tốn được kiết suất dữ
liệu dưới dạng bảng hay hiển thị trực tiếp trên
sơ đồ mơ phỏng. Hình 11 và hình 12 mơ
phỏng kết quả tính tốn phân bố cơng suất
trong mạng điện nhà A và mạng điện tầng 3
nhà A.

</div>
(4)<div class='page_container' data-page=4>

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 tốn 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

Mơ hình nguồn phân tán mạng điện nhà A
được lựa chọn từ hai mơ 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

Tính tiếp i=2

Nhập thơng số cho diện tích tính tốn Fi
(F1, F2..)

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

Hình 13. Thuật tốn 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 =0

0, góc nghiêng Σ =00

Trường hợp thứ nhất (thời điểm12h):

- Hế số Ar mass =1,02AM ; IB = 932W/m
2

</div>
(5)<div class='page_container' data-page=5>

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
cơng 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. Mơ 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 trị như một thiết bị bù CSPK.
Ví dụ: Trong thời gian BXMT có IB = 300

</div>
(6)<div class='page_container' data-page=6>

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 tịa nhà thường khơng 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 tịa 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 mơ hình mạng điện lai
G-PVA kết hợp nguồn lưới với nguồn pin mặt
trời cấp điện cho các tịa nhà lớn (hình 11,
hình 14).

- Việc ứng dụng ETAP mơ hình hóa mơ
phỏng và giải tích mạng điện lai G-PVA đã

cung cấp kết quả tính tốn 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

</div>
(7)<div class='page_container' data-page=7>

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

</div>