Luận văn Mô hình hóa và điều khiển một hệ thống tích hợp năng lượng gió và năng lượng mặt trời (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Mô hình hóa và điều khiển một hệ thống tích hợp năng lượng gió và năng lượng mặt trời (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LƯƠNG SƠN KHỞI MÔ HÌNH HÓA VÀ ĐIỀU KHIỂN MỘT HỆ THỐNG TÍCH HỢP NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202 S K C0 0 4 6 3 5 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LƢƠNG SƠN KHỞI MÔ HÌNH HÓA VÀ ĐIỀU KHIỂN MỘT HỆ THỐNG TÍCH HỢP NĂNG LƢỢNG GIÓ VÀ NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI NGÀNH:KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015 i
3. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: Lương Sơn Khởi Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh:15/12/1986 Nơi sinh: Ninh Thuận Quê quán:Ninh Thuận Dân tộc: Kinh Địa chỉ liên lạc: 40 Trần Cao Vân, Phường Đô Vinh, Tp. Phan Rang Tháp Chàm, Ninh Thuận Điện thoại liên lạc: 0937.27.55.17 E-mail: khoinghiep27@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Đại học: Hệ đào tạo: Chính qui Thời gian đào tạo: từ 2006 đến 2011 Nơi học (trường, thành phố): Trường ĐHSư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Ngành học: Điện Công Nghiệp Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: “Thiết kế và thi công thiết bị nâng cao chất lượng điện năng” Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp:Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Người hướng dẫn: TS. Trương Việt Anh III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Từ tháng 04 /2011 Cty cổ phần Dệt Texhong Việt Trưởng ca xưởng sản đến 12/2011 Nam xuất Từ tháng 12 /2011 Cty cổ phần công nghệ Tiên Kỹ sư dự án đến 04/2014 Phong Từ tháng 05/2014 Cty truyền tải điện 4 Nhân viên vận hành đến nay Tp.Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2015 Xác nhận của cơ quan ii
4. LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2015 Lương Sơn Khởi iii
5. LỜI CẢM ƠN Đầu tiên,tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc, người đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện quyển luận văn này. Xin cảm ơn các Thầy Cô đã cho em nền tảng kiến thức – tri thức quí báu. Xin cám ơn quý Thầy Cô trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM, Khoa Cơ –Điện – Điện Tử, Phòng Quản Lý Khoa Học - Đào Tạo Sau đại học, tập thể lớp 2012b và 2013b đã tạo cơ hội cho em thực hiện Luận văn này. Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn cha mẹ và người thân đã luôn ở bên tôi và động viên tôi rất nhiều để tôi hoàn thành khóa học này. Lương Sơn Khởi iv
6. TÓM TẮT Ngày nay, việc phát triển trong lĩnh vực năng lượng tái tạo và phát điện phân tán đã đạt được nhiều thành tựu đáng kể trong vài năm kể lại đây mà cụ thể của đề tài em là năng lượng gió và năng lượng mặt trời, đây là các lĩnh vực năng lượng sạch, vô tận và thân thiện với môi trường. Trong tình hình nhu cầu năng lượng ngày càng cao thì việc đa dạng hóa các nguồn năng lượng từ các nguồn năng lượng mới và vô tận là một giải pháp hiệu quả và luôn được khuyến khích phát triển. Các nguồn năng lượng này sẽ giảm bớt một phần gánh nặng từ áp lực cung cấp điện năng của lưới điện, chủ yếu dựa vào nguồn năng lượng hóa thạch như nhiệt điện, điện hạt nhân, thủy điện . Tuy nhiên, việc phát triển năng lượng tái tạo cũng có một số hạn chế đó là công suất nhỏ và phân tán. Để sử dụng có hiệu quả cần phải kết nối các nguồn năng lượng này thông qua lưới điện phân phối hiện có bằng các bộ nghịch lưu có khả năng kết nối với lưới điện xoay chiều của hệ thống điện hiện tại. Trong quá trình hoaṭ đôṇ g của các bô ̣pin năng lươṇ g m ặt trời kết nối lưới điện phân phối, ngoài việc phải hoạt động tại điểm có công suất lớn nhất theo sự thay đổi của cường đô ̣bứ c xa ̣măṭ trời , tức phụ thuộc vào thời tiết thì yêu cầu về tối thiểu hóa tổng độ méo dạng sóng hài (THD) là một yêu cầu cần phải đạt được để đảm bảo chất lươṇ g điêṇ năng trên lưới điêṇ . Để đaṭ đươc̣ yêu cầu này , giải thuật tối ưu hóa bầy đàn (PSO) đa ̃ đươc̣ giới thiêụ và ứ ng duṇ g trong viêc̣ xác điṇ h các hê ̣số đ iều khiển trong bô ̣điều khiển dòng điêṇ . Trong lĩnh vực năng lượng gió, đối với các máy phát điện gió công suất nhỏ chỉ được thiết kế để hoạt động độc lập. Vì vậy, việc thiết kế bộ chuyển đổi năng lượng gió hòa đồng bộ lưới điện phân phối là một yêu cầu cấp thiết hiện nay. Luận văn tập trung xử lí vấn đề duy trì vận hành bình thường cho các phụ tải khi lưới điện chuyển từ trạng thái nối lưới sang trạng thái vận hành độc lập do mất nguồn điện lưới. Xây dựng phương pháp ổn định điện áp cho phụ tải trong một thời gian sau khi xuất hiện sự cố mất nguồn điện lưới. v
7. ABSTRACT Nowaday, wind and solar energy have been developing successfully, both field are green and renewable resource. More and more higher energy demand in our life need diversity of resource with enjoying of green and renewable is the effective aproach, which are always encouraged. Those resource will redue demand of energy from hydroelectric plant and thermoelectricity plant on power system. However, solar energy have low rate power and dispersion. To increase efficiency of solar energy need to connect them with power network via invertor, which can link to power system. The whole of operation of solar cell units link to power network, beside the requirement the solar cell units must operate at the maximum power point, the current was injected to power grid must have minimum total hamonic disturbance (THD). Solving this requirement, Particle Swarm Optimization (PSO) theory was introduced and implement in this thesis to determine controll factors of PI current regulator. In the case of wind energy field, that wind generators were operated independently, designing of new wind generator which can connect to national power network is very necessary. This thesis focuses on solving the problems of maintaining normal operation of the power load when microgrid changing from grid-connected to autonomousoperation due to the lost of power grid. Build a methodto maintain load voltage stability during the appearance of grid power failures. vi
8. MỤC LỤC Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân i Lời cam đoan ii Lời cảm ơn iii Tóm tắt iv Mục lục v Danh sách chữ viết tắt x Danh sách các hình xi Danh sách các bảng xiv CHƢƠNG 1: GIỚ I THIÊỤ 1.1 Đặt vấn đề 1 1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ 3 1.3 Phạm vi nghiên cứu 4 1.4 Phƣơng pháp nghiên cứu 4 1.5 Điểm mới của luận văn 5 1.6 Giá trị thực tiễn của luận văn 5 1.7 Nội dung của luận văn 6 CHƢƠNG 2: TỔ NG QUAN 2.1 Microgrid và phát điện phân tán 7 2.2 Tổng quan về hệ thống chuyển đổi năng lƣợng gió 9 2.2.1 Các thành phần của hệ thống chuyển đổi năng lượng gió 9 2.2.2 Các loại hệ thống chuyển đổi năng lượng gió 10 2.2.2.1 Hệ thống turbine gió tốc độ cố định 11 2.2.2.2 Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi, biến đổi toàn bộ công suất 12 2.2.2.3Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi, biến đổi một phần công suất 13 vii
9. 2.2.2.4Tổng quan về các kiểu turbine gió 14 2.3 Tổng quan về pin năng lƣợng măṭ trời 15 2.3.1 Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng của tương lai 15 2.3.2 Cấu trúc kết nội các tấm pin mặt trời 16 2.3.3 Các mô hình kết nối lưới trong hệ thống điện mặt trời một pha 19 2.4 Tổng quan về kết nối turbine gió và măṭ trời trong lƣới điện Microgrid 21 CHƢƠNG 3: KHẢO SÁT VÀ TÍNH TOÁN 3.1 Năng lƣợng gió và công suất turbine 23 3.1.1 Năng lượng gió 23 3.1.2 Hiệu suất turbine gió 26 3.1.3 Đường cong hiệu suất turbine gió 29 3.1.4 Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) 32 3.2 Pin năng lƣợng mặt trời và phƣơng trình toán của pin năng lƣợng mặt trời 35 3.2.1 Phương trình tương đương của pin năng lượng mặt trời 35 3.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến pin năng lượng mặt trời 36 3.2.3 Phương trình tương đương của bộ pin năng lượng mặt trời 37 3.3 Mạch chỉnh lƣu 39 3.4 Mạch nghịch lƣu kết nối lƣới điện phân phối 42 3.4.1 Phân loại bộ nghịch lưu 42 3.4.2 Phương pháp điều khiển các khóa công suất trong bộ nghịch lưu nguồn áp 42 3.4.3 Phương pháp điều khiển khóa công suất trong bô ̣nghic̣ h lưu nguồn dòng 47 viii
10. CHƢƠNG 4: MÔ HÌNH HÓ A & MÔ PHỎ NG 4.1 Sơ đồ kết nối máy phát điện gió và bộ pin năng lƣợng mặt trời vào lƣới điện phân phối. 51 4.1.1 Khối turbine gió và máy phát điện. 52 4.1.2 Khối chỉnh lưu. 55 4.1.3 Khối bộ pin năng lượng mặt trời 56 4.1.4 Khối nghịch lưu 57 4.1.5 Khối lưới điện phân phối 58 4.1.6 Khối điều khiển pin NLMT 58 4.1.6.1 Nguyên lý hoạt động của khối MPPT 60 4.1.7 Khối điều khiển máy phát điện gió 65 4.1.7.1 Nguyên lý hoạt động khối MPPT của turbine gió 66 4.1.8 Khối điều khiển lưu trử năng lương (battery) 69 4.1.9 Khối phụ tải 70 4.2 Các khối chức năng 70 4.2.1 Khối PI_V 70 4.2.2 Khối PLL 71 4.2.3 Khối DC/AC 71 4.2.4 Khối điều khiển Hysteresis (điều khiển bang-bang) 72 CHƢƠNG 5: KẾT QUẢ, KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 Trƣờng hợp nghiên cứu và các kết quả 73 5.1.1 Trường hợp nghiên cứu 73 5.1.2 Kết quả mô phỏng nguồn DG nối lưới trong trường hợp nghiên cứu đã xét đến 75 5.1.2.1 Kết quả mô phỏng nguồn DG – năng lượng mặt trời nối lưới 76 5.2 Nhận xét và đánh giá 82 5.3 Các vấn đề đƣợc thực hiện trong luận văn 83 5.4 Đề nghị và các hƣớng phát triển của luận văn 84 TÀI LIÊỤ THAM KHẢ O 85 ix
11. DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT MBA: Máy biến áp IG: Induction generator (Máy phát điện không đồng bộ) SG: Synchronous generator (Máy phát điện đồng bô) HAWT: Horizontal Axis Wind Turbine (Turbine gió trục ngang) VAWT: Vertical Axis Wind Turbine (Turbine gió trục đứng) PMSG: Permanent Magnet Synchronous Generator (Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu) IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor SPWM: Sinusoidal Pulse Width Modulation (Điều chế độ rộng xung) MPPT: Maximum Power Point Tracking (Tìm điểm công suất cực đại) P&O: Perturb and observate (Phương pháp nhảy và so sánh) PLL: Phase locked loops (Phương pháp sát định góc pha) PV: Photovoltaic (Pin mặt trời) PI: Proportional Integral (Điều khiển PI) x
12. DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Chƣơng 2: Hình 2.1: Công nghệ điều khiển kết nối lưới điện tại Singapore và Hoa kỳ 7 Hình 2.2: Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió cơ bản 8 Hình 2.3: Hệ thống turbine gió tốc độ cố định 9 Hình 2.4: Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi 11 Hình 2.5: Hệ thống turbine gió thay đổi tốc độ với bộ biến đổi phía roto 13 Hình 2.6: Cấu tạo turbine gió trục đứng và trục ngang 13 Hình 2.7: Dự đoán các nguồn năng lượng sử dụng trong thế kỷ 21 15 Hình 2.8: Cấu trúc dạng mô đun 16 Hình 2.9: Cấu trúc dạng chuỗi 17 Hình 2.10: Cấu trúc dạng nhiều chuỗi 17 Hình 2.11: Cấu trúc dạng trung tâm 18 Hình 2.12: Mô hình kết nối lưới sử dụng bộ biến đổi DC/AC và máy biến áp cách ly 19 Hình 2.13: Mô hình kết nối lưới sử dụng bộ biến đổi DC/DC ,DC/AC 19 Hình 2.14: Mô hình kết nối lưới sử dụng bộ biến đổi DC/AC 20 Hình 2.15: Mô hình kết nối lưới sử dụng bộ biến đổi DC/AC 20 Chƣơng 3: Hình 3.1: Năng lượng của khối không khí có mặt cắt ngang A 23 Hình 3.2: Biểu diễn luồng khí thổi qua một turbine gió lý tưởng 25 Hình 3.3: Góc pitch của cánh quạt gió 26 Hình 3.4: Giới hạn của hiệu suất rotor 28 Hình 3.5: Đường cong hiệu suất rotor 29 Hình 3.6: Công suất đầu ra phụ thuộc vào vận tốc gió , tốc độ turbine 30 Hình 3.7: Đường cong công suất lý tưởng của turbine gió 31 xi
13. Hình 3.8 Mô hình mạch điện tương đương trong hệ tọa độ dq của PMSG 34 Hình 3.9: Mạch điện tương đương của pin mặt trời 35 Hình 3.10: Mô hình pin mặt trời lý tưởng 37 Hình 3.11: Mô đun pin mặt trời 38 Hình 3.12: Đặc tính I-V với các bức xạ khác nhau 39 Hình 3.13: Đặc tính P-V với các bức xạ khác nhau 39 Hình 3.14: Mạch chỉnh lưu bán kì 40 Hình 3.15: Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha không điều khiển 41 Hình 3.16: Mạch chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển 41 Hình 3.17: Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha có điều khiển 41 Hình 3.18: Mạch chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển 41 Hình 3.19: Giản đồ xung kích bộ nghich lưu 1 pha SPWM 45 Hình 3.20: Giản đồ dòng và áp ngõ ra nghich lưu SPWM 46 Hình 3.21: Sơ đồ kết nối đơn giản của bộ nghịch lưu 3 pha 47 Hình 3.22: Dạng sóng dòng điện trong phương pháp điều khiển bang bang trên 1 pha 48 Hình 2.23: Giải thuật điều khiển bang bang trên một nhánh 48 Hình 3.24: Giải thuật điều khiển bang bang cải tiến 49 Chƣơng 4: Hình 4.1 Sơ đồ kết nối 51 Hình 4. 2 Sơ đồ tổng quát mạch mô phỏng 52 Hình 4.3: Sơ đồ kết nối máy phát điện gió với lưới điện thông qua bộ AC-DC/DC-AC 52 Hình 4. 4Sơ đồ kết nối của khối turbinevà máy phát điện 52 Hình 4. 5 Sơ đồ kết nối trong mô phỏng khốiturbine gió 53 Hình 4. 6 Sơ đồ kết nối mô phỏng của khối máy phát điện nam châm vĩnh cửu 54 Hình 4. 7 Mô hình mô phỏng của khối cơ khí trong PMSG 54 Hình 4. 8 Mô hình mô phỏng của khối điện trong PMSG 54 xii
14. Hình 4. 9 Thông số kỹ thuật của PMSG 55 Hình 4. 10 Sơ đồ kết nối mạch chỉnh lưu 56 Hình 4. 11 Sơ đồ kết nối của khối năng lươṇ g măṭ trời 56 Hình 4. 12 Sơ đồ kết nối của khối nghịch lưu 57 Hình 4. 13 Sơ đồ kết nối của khối lưới điện phân phối 57 Hình 4. 14 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của mạch điện mô phỏng 58 Hình 4. 15 Sơ đồ kết nối của khối điều khiển pin năng lượng mặt trời 59 Hình 4. 16 Lưu đồ giải thuật P&O 60 Hình 4. 17 Đặc tuyến V-P của pin mặt trời khi NLBXMT không đổi 61 Hình 4. 18 Nguyên tắc hoạt động của bộ MPPT 62 Hình 4. 19 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của mạch điện mô phỏng 63 Hình 4. 20 Sơ đồ kết nối của khối điều khiển trong mạch mô phỏng 65 Hình 4. 21 Nguyên tắc hoạt động của máy phát điện gió 65 Hình 4. 22 Nguyên tắc hoạt động của giải thuật P&O 66 Hình 4. 23 Lưu đồ giải thuật P&O 68 Hình 4.24 Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển battery 68 Hình 4.25 Mạch mô phỏng sơ đồ kết nối khối battery trong simulink 68 Hình 4.26 : Mô hình phụ tải 70 Hình 4. 27 Sơ đồ kết nối của khối PI_V 71 Hình 4.28 Sơ đồ nguyên lí của khối PLL 71 Chƣơng 5 Hình 5.1: Lưu đồ quá trình mô phỏng được đề xuất 74 Hình 5.2: Các tín hiệu từ bộ điều khiển trung tâm truyền đến các CB 75 Hình 5.3 Công suất tác dụng và phản kháng ngõ ra của máy phát điện gió 76 Hình 5.4: Điện áp DC trước nghịch lưu của máy phát điện gió 77 Hình 5.5: Công suất bộ pin năng lượng mặt trời hòa lưới 78 Hình 5.6: Giá trị điện áp và dòng điện DC ngõ ra bộ pin NLMT 79 Hình 5.7: Giá trị công suất nạp xả của battery 80 xiii
15. Hình 5.8 Dạng sóng điện áp ngõ ra tại điểm kết nối chung ở giá trị: a) biên độ đỉnh; b) rms 81 Hình 5.9: Dạng sóng điện áp ngõ ra từ t = 1.4s đến t = 2s 81 DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 5-1 Bảng kết quả mô phỏng năng lượng gió hòa lưới hòa lưới 77 Bảng 5.2: Bảng kết quả mô phỏng hệ thống năng lượng mặt trời hòa lưới 78 xiv
16. Mô hình hóa và điều khiển một hệ thống tích hợp năng lượng gió & năng lượng mặt trời GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Đặt vấn đề Ngày nay, ngành công nghiệp điện đang có những bước tiến đột phá và phát triển đồng bộ từ các khâu: sản xuất, truyền tải và phân phối, cũng như đưa ra các phương thức vận hành và sử dụng điện sao cho hiệu quả, tiết kiệm. Đặc biệt với hiệu ứng nóng lên của trái đất, sự cạn kiệt của các nguồn năng lượng hóa thạch, sự bùng nổ tăng trưởng của các nước đang phát triển. Bên cạnh đó dân số ngày càng tăng, ước tính đến năm 2050 khoảng 9.5 tỷ người, nhiệt độ trung bình của trái đất có thể tăng lên 600C. Điều này dẫn đến yêu cầu bức thiết phải có những phương thức mới trong việc cung cấp và sử dụng nguồn năng lượng sao cho giảm thiểu sự phát thải khí CO2. Để có thể đạt được các mục tiêu trên, chúng ta phải xây dựng một hệ thống điện và phương thức vận hành, cũng như trong kinh doanh có khả năng cho phép chỉ ra những nhà máy điện phải nâng cao hiệu suất, các loại nguồn năng lượng mới được khuyến khích phát triển như năng lượng mặt trời, gió, khí sinh học.v.v ở những địa điểm thích hợp. Hệ thống mà chúng ta đang đề cập và phân tích đến là xây dựng mô hình và công nghệ điều khiển nối lưới cho lưới điện siêu nhỏ với các nguồn phát điện phân tán (DG), đây cũng là một phần trong mục tiêu phát triển hệ thống điều khiển lưới điện thông minh (Smart Grid). Hiện nay, ở một số quốc gia phát triển như: Đức, Hoa Kỳ, Singapore v.v đã triển khai và vận hành lưới điện siêu nhỏ với các nguồn phát điện phân tán. Mặt khác, để giải quyết các vấn đề này, một mặt chúng ta phải khai thác và sử dụng các nguồn năng lượng hóa thạch này một cách hợp lý, mặt khác chúng ta phải tìm ra các nguồn năng lượng khác để thay thế. Thế giới đang tìm kiếm các nguồn năng lượng tái sinh có thể cung cấp năng lượng một cách bền vững trong tương lai, nguồn năng lượng ấy có thể kể đến như: năng lượng gió, năng lượng sinh khối, HVTH: Lương Sơn Khởi Trang 1
17. Mô hình hóa và điều khiển một hệ thống tích hợp năng lượng gió & năng lượng mặt trời GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc năng lượng mặt trời hoặc là nguồn năng lượng tái sinh khác. Trong đó công nghệ về năng lượng măṭ trời đang đư ợc thế giới chú trọng phát triển để khai thác. Các chính phủ đã đón nhận các công nghệ này một cách hết sức nghiêm túc và đưa ra các mục tiêu đầy tham vọng cho sản lượng điện tạo ra từ các nguồn năng lượng tái sinh trên. Người dân ngày càng ý thức về sự tàn phá và ô nhiễm môi trường từ các nguồn nhiên liệu hoá thạch và năng lượng hạt nhân. Trong khi các nguồn năng lượng tái sinh có thể khai thác tự do và không bao giờ cạn kiệt. Năng lượng măṭ trời và năng lượng gió là một nguồn năng lượng sạch có thể thay thế các nguồn năng lượng truyền thống. Các ứng dụng của nó tại các nước phát triển giúp làm giảm hiệu ứng nhà kính và giữ gìn được các nguồn năng truyền thống đang cạn kiệt. Các quốc gia đã và đang phát triển đều xem năng lượng măṭ trời và năng lượng gió là nguồn năng lượng lý tưởng phù hợp với xu hướng phát triển mới của nhân loại, được ưu tiên đầu tư hàng đầu trong các chính sách về năng lượng. Khi sử dụng năng lượng tái tạo có những thuận lợi như sau : - Giảm hay thay thế việc xây dựng các nhà máy điện truyền thống dùng năng lượng hóa thạch. - Làm giảm công suất truyền tải và tăng phát điện tại nơi tiêu thụ. - Không gây ô nhiễm môi trường khi vận hành sản xuất điện năng. - Là nguồn năng lượng không bao giờ cạn kiệt. - Dễ dàng tăng thêm công suất khi cần thiết. - Việc lắp đặt và xây dựng các tấm pin năng lươṇ g măṭ trời , các turbin gió là tương đối nhanh. - Mặc dù năng lượng măṭ trời và gió hiện nay có giá đắt hơn nhiều so với nguồn năng lượng truyền thống, nhưng nó không bị ảnh hưởng bởi giá nguyên liệu và sự gián đoạn cung cấp. - Ở các nước phát triển nhà nước hỗ trợ về thuế và các ưu đãi khác. - Tạo ra nhiều công ăn việc làm hơn so với các nhà máy năng lượng khác, khi cùng sản xuất ra một đơn vị năng lượng. Số người làm việc cho các trung tâm HVTH: Lương Sơn Khởi Trang 2
18. Mô hình hóa và điều khiển một hệ thống tích hợp năng lượng gió & năng lượng mặt trời GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc năng lượng gió trên khắp thế giới khoảng 100000 công nhân. Một Megawatt điện gió cần từ 2.5 – 3.0 nhân công làm việc. - Công nghệ năng lượng măṭ trời và gió có thể thay đổi cho nhiều ứng dụng có công suất từ nhỏ đến lớn. Thời gian từ khi khảo sát đến lắp đặt và vận hành ngắn và có những thuận lợi khác mà các nhà máy điện kiểu truyền thống không làm được. Hiêṇ nay, năng lươṇ g măṭ t rời ở Viêṭ Nam với lơị thế là môṭ n ước nhiệt đới có nắng quanh năm nên rất có tiềm năng phát triển năng lươṇ g măṭ trời . Bên cạnh đó, năng lượng gió ở Việt Nam với lợi thế bờ biển trải dài 3260 km và gần 3000 hòn đảo lớn nhỏ rất có tiềm năng. Tuy nhiên, viêc̣ khai thác năng lươṇ g măṭ trời và gió ở nước ta còn nhiều haṇ chế , môṭ phần là do nhà nước chưa có chính sách hỗ trơ ̣ thích hơp̣ và cũng do giá thành các thiết bi ̣chuyển đổi năng lươṇ g tái tạo (mặt trời, gió) thành điện còn khá cao . Do vâỵ hiêṇ nay ở nước ta chỉ có thể phát triển các máy điêṇ năng lươṇ g măṭ trời , gió có công suất vừ a và nhỏ để cung cấp cho các vùng lưới điêṇ không thể vươn đến hoăc̣ chất lươṇ g điêṇ không đảm bảo khi đi qua môṭ khoảng cách địa lí không hoàn thiện như các vùng nông thôn , biên giới, hải đảo, cũng như là những vùng có tốc độ gió trung bình thay đổi nhiều. Ngoài ra, khi kinh tế bắt đầu phát triển , viêc̣ phát triển năng lượ ng sac̣ h và bền vững ngày càng đươc̣ chú troṇ g phát triển. Theo xu hướng thiết kế môi trường xanh, các tòa nhà đã được thiết kế theo hướng sử dụng ít hơn năng lượng từ lưới điện phân phối và dùng các tấm pin măṭ trời để tạo ra nguồn điêṇ “xanh” để cung cấp môṭ phần nhu cầu cho công trình . Điều này thúc đẩy viêc̣ nghiên cứ u chế taọ các bô ̣ chuyển đổi năng lươṇ g măṭ trời công suất vừ a và nhỏ có khả năng kết nối lưới điêṇ để thu được công suất lớn nhất từ năng lươṇ g măṭ trời. 1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ - Tìm hiểu về máy phát điện gió công suất nhỏ. - Tìm hiểu về các bộ pin năng lượng mặt trời. - Tìm hiểu về pin lưu trữ năng lượng nối lưới. HVTH: Lương Sơn Khởi Trang 3
19. Mô hình hóa và điều khiển một hệ thống tích hợp năng lượng gió & năng lượng mặt trời GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc - Xây dựng phương trình và giải thuật để tính toán bộ chuyển đổi năng lượng. - Xây dựng khối pin lưu trữ năng lượng (battery) nối lưới và bộ điều khiển để ổn định điện áp hai đầu cực nút tải khi cắt microgrid ra khỏi lưới điện. - Dùng phần mềm Matlab 7.12 mô phỏng khi hòa năng lượng gió, mặt trời và pin lưu trữ vào lưới điện phân phối. 1.3 Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu khái quát về năng lượng măṭ trời và năng lượng gió. - Nghiên cứu về các bộ pin năng lượng mặt trời công suất nhỏ. - Nghiên cứu về máy phát điện gió công suất nhỏ. - Nghiên cứu về mối quan hệ của các thông số trong bô ̣pin năng lươṇ g măṭ trời công suất nhỏ. - Nghiên cứu về mối quan hệ của các thông số trong máy phát điện gió công suất nhỏ. - Nghiên cứu về mối quan hệ truyền động trong máy phát điện gió công suất nhỏ. - Nghiên cứu bộ nghịch lưu công suất nhỏ một pha khi hòa vào lưới điện. - Nghiên cứu phương pháp tính toán bộ chuyển đổi nguồn DC-AC. - Nghiên cứu tính toán các thông số khi hòa nguồn năng lượng tái tạo vào lưới điện phân phối một pha. - Nghiên cứu mô hình pin nối lưới để đảm bảo ổn định điện áp nút kết nối. - Đưa ra mô hình mô phỏng khi hòa nguồn năng lượng tái tạo vào lưới điện. 1.4 Phƣơng pháp nghiên cứu - Thu thập tài liệu liên quan đến các vấn đề nghiên cứu. - Nghiên cứu tổng quan về năng lượng măṭ trời và năng lượng gió. - Nghiên cứu các thông số ảnh hưởng đến hoaṭ đôṇ g của pin măṭ trời , máy phát điện gió. - Nghiên cứu và xây dựng mô hình toán học về mối quan hệ giữa các thông số làm ảnh hưởng đến hiệu suất của bô ̣pin năng lươṇ g măṭ trời công suất nhỏ. HVTH: Lương Sơn Khởi Trang 4
20. Mô hình hóa và điều khiển một hệ thống tích hợp năng lượng gió & năng lượng mặt trời GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc - Nghiên cứu và xây dựng mô hình toán học về mối quan hệ giữa các thông số làm ảnh hưởng đến hiệu suất của máy phát điện gió công suất nhỏ. - Nghiên cứu các mô hình hòa đồng bộ giữa nguồn năng lượng măṭ trời, nguồn năng lượng gió và lưới điện. Ảnh hưởng của các thông số khi hòa. Đề nghị mô hình tính toán cụ thể. - Sử dụng matlab xây dựng mô hình mô phỏng việc hòa đồng bô ̣bô ̣năng lươṇ g tái tạo vào lưới điện phân phối, từ đó thiết kế và thi công mô hình thực tế. - Phân tích các kết quả nhận được và các kiến nghị. - Đánh giá tổng quát toàn bộ bản luận văn. Đề nghị hướng phát triển của đề tài. 1.5 Điểm mới của luận văn - Xây dựng hoàn chỉnh mô hình kết nối bô ̣năng lươṇ g măṭ trời và máy phát điện gió có công suất nhỏ trong lưới Microgrid hòa đồng bộ lưới điện quốc gia. - Tìm ra các thông số ảnh hưởng đến việc hòa đồng bộ giữa các nguồn năng lượng tái tạo và lưới điện quốc gia. - Đưa ra giải thuật và chương trình mới để tính toán bộ chuyển đổi nguồn năng lượng tái tạo hòa vào lưới điện quốc gia. - Góp phần tiết kiệm năng lượng của các hộ tiêu thụ điện cũng như cung cấp thêm cho nguồn quốc gia một phần năng lượng. 1.6 Giá trị thực tiễn của luận văn - Đóng góp một giải pháp quan trọng trong việc dần thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch bằng các nguồn năng lượng vô tận trong xu thế phát triển của thế giới ngày nay. - Đây là giải pháp rất khả thi để nâng cao chất lượng điện năng cho các vùng sâu, vùng xa và xa trung tâm phụ tải. Tại các khu vực này do điều kiện địa lí tự nhiên nên thường là các vùng cuối lưới điện nên điện áp không đảm bảo. Việc dùng các bô ̣năng lươṇ g măṭ trời kết hợp hay riêng rẻ cùng với năng HVTH: Lương Sơn Khởi Trang 5
21. Mô hình hóa và điều khiển một hệ thống tích hợp năng lượng gió & năng lượng mặt trời GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc lượng gió là một giải pháp hữu hiệu để nâng cao ổn định điện áp cho các vùng này. - Nâng cao được hiệu suất cho bô ̣năng lươṇ g măṭ trời công suất nhỏ. - Làm tài liệu tham khảo và làm nền tảng để phát triển hướng cho các nghiên cứu sau này. - Ứng dụng rộng rãi việc sử dụng cùng lúc hai nguồn năng lượng tái tạo và lưới điện quốc gia cho các hộ tiêu thụ điện. - Giúp các nhà hoạch định chiến lược về nguồn năng lượng quốc gia có thêm một hướng mới về việc phát triển nguồn năng lượng trong tương lai. - Sử dụng làm tài liệu giảng dạy. - Giúp cho các nhà thiết kế các tài liệu quan trọng trong tính toán thiết kế bộ chuyển đổi nguồn năng lượng táo tạo (măṭ trời và gió) hòa vào lưới điện. 1.7 Nội dung của luận văn Chương 1: Giới thiệu. Chương 2: Tổng quan Chương 3: Khảo sát và tính toán Chương 4: Mô hình hóa và mô phỏng Chương 5: Kết luận và Hướng phát triển HVTH: Lương Sơn Khởi Trang 6
22. S K L 0 0 2 1 5 4