CHƯƠNG I MẠNG ĐIỆN PHÂN TÁN VÀ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT DÙNG CHO KẾT NỐI NGUỒN PHÁT PHÂN TÁN 1.1 Mạng điện phân tán Trong hệ thống điện hiện đại, sự tham gia của các nguồn phân tán mà chủ yếu được kết nối trong lưới phân phối, hình 1. 1 Mô hình hệ thống điện hiện đại Trong các nguồn phân tán, phần lớn phải kể đến các nguồn một chiều (DC) và sự kết hợp với các bộ biến đổi điện tử công suất. Theo số liệu báo cá - DC phân phối mạng để chuyển đến 2,3 GW công suất vào năm 2025 và Báo cáo mới của Navigant Research, tổng công suất trên toàn thế giới của các mạng lưới phân phối DC sẽ vượt qua 2,3 GW vào năm 2025, chỉ tăng từ 196 MW vào năm 2013. 4 - Peter Asmus, chuyên gia phân tích nghiên cứu của Navigant Research, cho biết: "Có những cuộc tranh luận nảy lửa về những thuận lợi và bất lợi của DC, và một số huyền thoại vẫn còn cần được giải tỏa để cho loại thiết bị phân phối điện này trở thành xu hướng chủ đạo.
"Một quan niệm sai lầm là DC chỉ có 1 phần trăm hoặc 2 phần trăm hiệu quả hơn lưới điện AC. Trên thực tế, nghiên cứu của Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley cho thấy rằng các mạng DC trung thế hiệu suất từ 7 đến 8 phần trăm hiệu quả hơn so với AC. " - Hiện nay, phần lớn tiến bộ trong việc phát triển các công nghệ dựa trên DC đã xảy ra ở cấp dịch vụ điện cao thế (hơn 1.000V) hoặc điện áp thấp (dưới 100V). Kể từ khi microgrid hoạt động ở điện áp trung bình (~ 380-400V), cần nhiều công việc hơn để giảm khoảng cách đổi mới điện áp này.
Đây là trọng tâm của các công ty công nghệ như ABB, Intel, Johnson Controls Inc., Emerson Network Power, và các công ty khác. Như vậy, với sự phát triển của nguồn năng lượng thay thế, yếu tố môi trường, sự phát triển của các công nghệ mới, chất lượng điện năng, độ tin cậy hệ thống điện. , sự ra đời hệ thống nguồn phát phân tán (Distributed Generation-DG) là thiết thực cho nhu cầu năng lượng đối với một xã hội phát triển, hiện đại nhằm bổ sung và đáp ứng nhanh chóng nguồn điện cho phụ tải. Nguồn DG có thể được phân biệt thành 02 loại DG chính.
Loại thứ nhất là nguồn điện áp một chiều sau khi qua bộ nghịch lưu DC/AC chuyển thành nguồn áp xoay chiều, ví dụ như pin nhiên liệu, hệ thống các tuabin siêu nhỏ, pin mặt trời …, loại thứ hai là nguồn điện áp xoay chiều nối trực tiếp vào hệ thống phân phối như máy phát diesel, khí gas, các thủy điện nhỏ… Tuy nhiên, việc kết nối tích hợp các DG vào mạng lưới điện phân phối lại nổi lên một số vấn đề cần quan tâm: Trạng thái ổn định và sự kiểm soát ngắn mạch; Chất lượng điện năng; Điều khiển điện áp và công suất phản kháng; DG và các dịch vụ phụ thuộc; Tính ổn định và khả năng của DG chống chịu các nhiễu loạn; Kết hợp bảo vệ; Cách ly và chế độ vận hành cách ly. Các vấn đề này có thể gây ra các hạn chế 5 không cần thiết đến việc sử dụng nhiều các máy phát phân tán tích hợp vào mạng lưới phân phối.2 Bộ biến đổi công suất áp dụng kết nối nguồn phát phân tán 1.1 Giới thiệu chung Sự phát triển của điện tử công suất đã tạo ra được nhiều bộ bán dẫn công suất làm việc kiểu đa mức gây nhiều sự chú ý trong những năm gần đây như là một giải pháp hiệu quả cho các ứng dụng công suất lớn và điện áp cao. Bộ biến đổi này có thể tạo ra điện áp dạng sin từ các bước điện áp nhỏ hơn từ các nguồn DC cách ly hoặc từ các cấp điện áp dùng bộ phân áp bằng một loạt tụ. Thiết bị này được gọi là biến tần đa cấp.
Biến tần đa cấp có thể là khâu biến đổi năng lượng điện lý tưởng cho kết nối các nguồn năng lượng tái tạo với lưới điện, bao gồm hầu hết các nguồn phân tán như: pin mặt trời, pin nhiên liệu, tua-bin điện sức gió… Cấu trúc biến tần đa cấp đã được phát triển để có thể sử dụng các thiết bị đóng cắt bán dẫn với điện áp tương đối thấp cho các ứng dụng yêu cầu điện áp cao, công suất lớn. Yêu cầu cơ bản đặt ra với các bộ biến đổi đa mức dùng cầu chữ H là: hiệu suất biến đổi cao, tần số thay đổi trong dải rộng, điện áp thay đổi được từ không đến giá trị định mức, độ chính xác điều chỉnh và độ tác động nhanh cao, làm việc tin cậy. Biến tần đa mức dùng cầu chữ H được chế tạo trên cơ sở mắc nối tiếp các sơ đồ để tăng cường khả năng chịu điện áp của bộ biến đổi, nối song song để tăng cường khả năng chịu dòng điện. Vì vậy nó có thể làm việc với dải công suất lớn từ vài trăm W đến hàng nghìn kW, được sử dụng để kết nối các nguồn điện lại với nhau.
Nhằm mục đích trao đổi công suất có điều khiển giữa các nguồn điện hoặc các lưới điện với nhau khi một trong các bên thiếu hụt công suất hoặc gặp sự cố mất điện hoặc điện áp nguồn xuống quá thấp hoặc tăng cao. Do bộ biến tần này có thể trao đổi công suất hai chiều vì vậy, nó được xây dựng trên cấu trúc AC-DC-AC (Chỉnh lưu- Khâu trung gian một chiều – Nghịch lưu) như hình 1. Từ đó ta thấy biến tần phải làm việc trong hai chế độ đó là chuyển năng lượng phía một chiều sang xoay chiều (chế độ nghịch lưu) và chuyển năng lượng từ phía xoay chiều sang một chiều (chế độ chỉnh lưu). Khâu trung gian một chiều làm cho chỉnh lưu và nghịch lưu làm việc tương đối độc lập với nhau, nhờ có khâu trung gian tần số cao kích thước máy biến áp sẽ giảm nhỏ đáng kể, tránh được sử dụng máy biến áp ở tần số cơ bản 50 Hz rất cồng kềnh.
Khâu biến đổi AC- AC sử dụng cấu trúc biến tần trực tiếp kiểu ma trận đảm bảo chức năng truyền công 6 suất hai chiều với hiệu quả cao. Nhờ cấu trúc biến tần trực tiếp với điều khiển chuyển mạch đơn giản theo điện áp, khâu trung gian trở nên thuần bán dẫn, kích thước nhỏ gọn vì không cần đến các tụ điện lớn. Do đó các phương pháp biến điệu để tạo ra điện áp ra hình sin được thực hiện dễ dàng hơn. Thông thường điện áp phía DC được điều khiển giữ không đổi, nên biến tần có thể trao đổi năng lượng với lưới theo cả hai chiều nhờ các phương pháp điều chế.
2 Cấu trúc bộ biến đổi AC-DC-AC có khâu trung gian một chiều. Sơ đồ có thể hoạt động trong hai chế độ: - Chế độ kết nối giữa các lưới điện hay các điểm nút trong hệ thống điện với nhau (Chế độ nối lưới). - Chế độ ốc đảo (hoạt động và cung cấp cho phụ tải một cách độc lập). Chế độ nối lưới Chế độ này sử dụng để kết nối các mạng lưới điện ba pha với nhau có cùng hoặc khác cấp điện áp, nhằm tạo ra sự linh hoạt trong việc truyền dẫn công suất giữa các nguồn điện và lưới điện để cung cấp năng lượng cho phụ tải với chất lượng tốt.
Chế độ này rất hữu ích đối với các nguồn điện hay lưới điện công suất nhỏ (nguồn điện phân tán), nó sẽ nâng cao được sự ổn định và chất lượng điện năng cho các lưới này, từ đó có thể liên kết và trao đổi công suất với các lưới điện khác. 3 Cấu trúc bộ biến đổi trong chế độ nối lưới. 7 Về mặt kỹ thuật, sơ đồ kết nối tới các lưới điện thông qua biến tần có khả năng trao đổi công suất hai chiều. Quá trình này có thể cung cấp hoặc tiêu thụ công suất tác dụng và công suất phản kháng tùy thuộc vào công suất từ lưới hay nguồn điện được kết nối hoặc nhu cầu tiêu thụ của phụ tải.
Trong khi truyền dẫn các dòng chảy công suất, sơ đồ có thể kiểm soát sự cân bằng năng lượng giữa các cổng với hiệu suất và độ tin cậy tương đối cao. Ngoài ra, sơ đồ có thể duy trì được sự cân bằng và độ ổn định điện áp trên liên kết DC-link về mặt thời gian mà không phụ thuộc vào chiều công suất giữa các cổng. Bên cạnh đó, sơ đồ có khả năng kiểm soát các vấn đề phát sinh trong hệ thống điện như hạn chế được các thành phần sóng hài bậc cao, kiểm soát tốt khả năng dao động về điện áp và tần số khi thông số của lưới thay đổi và không ảnh hưởng đến quá trình làm việc cũng như chất lượng hoạt động của các lưới khác. Tóm lại sơ đồ có thể kiểm soát tốt sự cân bằng công suất của các nguồn ở các cổng trên cả ba pha.
Chế độ ốc đảo Chế độ này áp dụng cho các hệ thống điện độc lập cung cấp cho một nhóm phụ tải nhất định, phù hợp cho các lưới điện công suất nhỏ ở vùng sâu, vùng xa, các vùng biên giới, hải đảo mà hệ thống lưới điện quốc gia chưa vươn tới được. Trong trường hợp này, sơ đồ bắt buộc để kiểm soát điện áp và tần số được cung cấp với chất lượng tốt để cung cấp điện trực tiếp cho các phụ tải. Việc kiểm soát và điều khiển của sơ đồ sẽ đáp ứng tốt các chế độ làm việc và các sự cố phát sinh của lưới điện và quá trình kết nối giữa các nguồn phát phân tán lại với nhau. 4 Cấu trúc bộ biến đổi trong chế độ ốc đảo.2 Ứng dụng bộ biến đổi đa mức dùng cầu H trong hệ thống điện thông minh Hệ thống điện thông minh là hệ thống có sự kết hợp linh hoạt giữa các nguồn và các tải và các thiết bị dự trữ năng lượng, hệ thống này gồm có nhiều nguồn điện khác nhau như: Nhiệt điện, thủy điện, điện mặt trời, điện gió, điện dierzen… cung 8 cấp năng lượng cho một nhóm phụ tải nhất định, khiến cho lưới điện này làm việc linh hoạt hơn, tin cậy hơn, đặc biệt có khẳ năng kiểm soát tốt về khả năng truyền công suất cũng như chất lượng và độ tin cậy của hệ thống nhờ các bộ biến đổi nối lưới.
Để đạt được điều đó, hệ thống đã ứng dụng và phát trển nhiều các công nghệ mới vào lưới điện để phục vụ cho việc truyền tải, phân phối và kết hợp với các thiết bị truyền thông như: FACTS, CUPS, để thuận tiện cho việc liên lạc và trao đổi thông tin trong hệ thống trong những trường hợp khẩn cấp và trong quá trình sản xuất.