Mô hình phân tầng trong điều khiển nối lưới cho nguồn pin nhiên liệu

Nghiên cứu và ứng dụng nguồn pin nhiên liệu để phát điện có ý nghĩa thiết thực đến việc giảm sự phụ thuộc vào các nguồn nhiên liệu hóa thạch, vừa có nguy cơ cạn kiệt, vừa gây ô nhiễm môi trường và thường biến động về giá. Pin nhiên liệu với ưu điểm là sự chủ động về nguồn nhiên liệu đầu vào, việc ứng dụng mô hình điều khiển phân tầng trong điều khiển nối lưới cho nguồn pin nhiên liệu, nhằm đảm bảo nguồn pin nhiên liệu luôn hoạt động ở công suất tối đa. Ưu điểm của mô hình điều khiển phân tầng là tần số, biên độ và độ lệch điện áp luôn đạt giá trị ổn định. Ngoài ra giảm được các sóng hài bậc cao, điều này có ý nghĩa lớn đến việc nâng cao chất lượng điện năng. Bài báo đã đưa ra được kết quả mô phỏng ứng dụng mô hình phân tầng trong điều khiển nối lưới cho nguồn pin nhiên liệu sử dụng phương pháp điều khiển theo độ trượt (Droop control method) nhằm duy trì công suất phát tối đa của hệ thống bất chấp tải nối với hệ thống.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Mô hình phân tầng trong điều khiển nối lưới cho nguồn pin nhiên liệu Lê Kim Anh Mô hình phân tầng trong điều khiển nối lưới... MÔ HÌNH PHÂN TẦNG TRONG ĐIỀU KHIỂN NỐI LƯỚI CHO NGUỒN PIN NHIÊN LIỆU Lê Kim Anh(1) (1) Trường Cao đẳng Công Thương miền Trung Ngày nhận bài: 15/8/2018; Ngày gửi phản biện 22/8/2018; Chấp nhận đăng 25/11/2018 Email: tdhlekimanh@gmail.com Tóm tắt Nghiên cứu và ứng dụng nguồn pin nhiên liệu để phát điện có ý nghĩa thiết thực đến việc giảm sự phụ thuộc vào các nguồn nhiên liệu hóa thạch, vừa có nguy cơ cạn kiệt, vừa gây ô nhiễm môi trường và thường biến động về giá. Pin nhiên liệu với ưu điểm là sự chủ động về nguồn nhiên liệu đầu vào, việc ứng dụng mô hình điều khiển phân tầng trong điều khiển nối lưới cho nguồn pin nhiên liệu, nhằm đảm bảo nguồn pin nhiên liệu luôn hoạt động ở công suất tối đa. Ưu điểm của mô hình điều khiển phân tầng là tần số, biên độ và độ lệch điện áp luôn đạt giá trị ổn định. Ngoài ra giảm được các sóng hài bậc cao, điều này có ý nghĩa lớn đến việc nâng cao chất lượng điện năng. Bài báo đã đưa ra được kết quả mô phỏng ứng dụng mô hình phân tầng trong điều khiển nối lưới cho nguồn pin nhiên liệu sử dụng phương pháp điều khiển theo độ trượt (Droop control method) nhằm duy trì công suất phát tối đa của hệ thống bất chấp tải nối với hệ thống. Từ khóa: điều khiển nối lưới, năng lượng tái tạo, pin nhiên liệu, phân tầng Abstract HIERARCHICAL MODEL IN CONTROLLING OF GRID - CONNECTED FUEL CELLS The research aims at of using and exploiting effectively fuel cell sources to generate electricity. It is meaningful to reduce the climate change and the energy dependence on fossil energy sources which are at risk of exhausting, causing environmental pollution and changing in price. The using fuel cells in power generation has the advantage of active fuel inputs. The application of hierarchical control structure in controlling of grid-connected fuel cells will ensure capacities of fuel cells are always at maximum. This control structure has advantages of stable operating frequency, voltage magnitude and voltage deviation. Besides, the elimination of high order harmonics will also have a significant effect on power quality improving. The article gives the simulation results of applying hierarchical struture in controlling of grid- connected fuel cells using droop control method in order to maintain maximum generating capacity of the system, irrespective of connected power loads. 1. Đặt vấn đề Ngày nay, pin nhiên liệu luôn được thu hút sự quan tâm của các nhà hoạch định phát triển năng lượng của các quốc gia trên thế giới. Những ưu điểm tuyệt đối của công nghệ pin nhiên liệu so với hệ thống phát điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch. Theo Chaoyong Hou, Xuehao Hu, Dong Hui (2010), đối với các hệ thống phát điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch thì hiệu suất đạt khoảng 35%, trong khi đó các hệ thống phát điện sử dụng công nghệ pin nhiên liệu có thể đạt 40 Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 4(39)-2018 hiệu suất cao hơn, khoảng 47%. Với tỷ lệ phát thải các chất gây ô nhiễm môi trường như nitrogen oxit (NOx), sunfua oxit (SOx), và đặc biệt là carbon dioxit (CO2) khá thấp. Pin nhiên liệu là một loại thiết bị sử dụng nhiên liệu giàu hydro và oxy để tạo ra điện thông qua các phản ứng điện hóa. Pin nhiên liệu bao gồm cực âm và cực dương, được bao quanh bởi chất điện phân. Nhiên liệu được đưa đến cực âm và oxy được đưa đến cực dương để tạo ra các phản ứng. Mô hình điều khiển phân tầng, bao gồm 3 tầng điều khiển: Tầng điều khiển thứ 1, dùng để điều khiển giữa tải với bộ nghịch lưu, sử dụng phương pháp điều khiển theo độ trượt (độ dốc). Tầng điều khiển thứ 2, dùng để đồng bộ với lưới và đưa tín hiệu độ lệch tần số, độ lệch điện áp đến tầng điều khiển thứ 1. Tầng điều khiển thứ 3, dùng để trao đổi giữa công suất của nguồn pin nhiên liệu với công suất của lưới, đồng thời đưa tín hiệu biên độ tần số và biên độ điện áp đến tầng điều khiển thứ 2. Ứng dụng mô hình phân tầng trong điều khiển nối lưới cho nguồn pin nhiên liệu nhằm hướng đến phát triển lưới điện thông minh và điều khiển nối lưới linh hoạt cho các nguồn năng lượng tái tạo. 2. Xây dựng mô hình điều khiển phân tầng cho nguồn pin nhiên liệu Mô hình điều khiển phân tầng theo Lê Kim Anh (2012), bao gồm 3 tầng điều khiển cơ bản sau: Tầng điều khiển thứ 1 (Primary Control), dùng để điều khiển dòng điện, điện áp và công suất giữa tải với bộ nghịch lưu. Tầng điều khiển thứ 2 (Secondary Control), dùng để đồng bộ với lưới. Tầng điều khiển thứ 3 (Tertiary Control), dùng để trao đổi công suất của nguồn pin nhiên liệu (FC) với lưới. Hệ thống điều khiển nối lưới của FC theo mô hình phân tầng, như hình 1 và 2. Hình 1. Sơ đồ điều khiển nguồn pin nhiên liệu theo mô hình phân tầng Hình 2. Sơ đồ điều khiển tầng thứ nhất 41 Lê Kim Anh Mô hình phân tầng trong điều khiển nối lưới... 2.1. Mô hình pin nhiên liệu (FC) Dựa vào mối quan hệ giữa điện áp đầu ra và áp suất riêng phần của hydro, oxy và nước theo HalukGorg (2006), mô hình pin nhiên liệu màng trao đổi proton (Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC) được tính như sau: qH 2 K an q K an   K H 2 (1); và H 2 O   K H 2O (2) pH 2 M H2 pH 2 O M H 2O Trong đó: qH 2 : dòng chảy đầu vào của hydro (kmol/s); pH 2 : áp suất riêng phần của hydro (atm); Kan: hằng số van anốt ...