Luận văn Thạc sĩ Giáo dục học: Đánh giá ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng mặt trời và năng lượng gió

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:89

Thêm vào BST

Báo xấu

14
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài "Đánh giá ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng mặt trời và năng lượng gió" nhằm hệ thống điện một gồm một máy phát điện nối với thanh cái vô cùng lớn có tích hợp năng lượng gió và năng lượng mặt trời. Đánh giá ổn định hệ thống điện gồm một máy phát điện nối với thanh cái vô cùng lớn có tích hợp năng lượng gió và năng lượng mặt trời.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Giáo dục học: Đánh giá ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng mặt trời và năng lượng gió

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN QUỐC HIẾU ÐÁNH GIÁ ỔN ÐỊNH HỆ THỐNG ÐIỆN CÓ TÍCH HỢP NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ NĂNG LƯỢNG GIÓ NGÀNH: GIÁO DỤC HỌC - 601401 S K C0 0 5 9 4 8 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 - 2018
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN QUỐC HIẾU ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN CÓ TÍCH HỢP NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ NĂNG LƯỢNG GIÓ NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 TP. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2018
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN QUỐC HIẾU ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN CÓ TÍCH HỢP NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ NĂNG LƯỢNG GIÓ NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 Hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN THỊ MI SA TP. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2018
LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: Trần Quốc Hiếu Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 16/06/1986 Nơi sinh: Tiền Giang Quê quán: Tp Mỹ Tho, Tiền Giang Dân tộc: Kinh Địa chỉ liên lạc: 11B/17, Học Lạc, Phường 8, TP Mỹ Tho, Tiền Giang Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà riêng: Fax: E-mail: tranquochieuspkt@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Chính qui Thời gian đào tạo từ 9 / 2004 đến 9 / 2006 Nơi học (trường, thành phố): Trường Cao đẳng Kỹ Thuật Cao Thắng, Tp HCM Ngành học: Điện tử công nghiệp 2. Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 9/2007 đến 9/2011 Nơi học (trường, thành phố): Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM Ngành học: Kỹ thuật Điện – Điện Tử Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: Người hướng dẫn: III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Từ 11/2011 Trường Cao Đẳng Nghề Tiền Giảng dạy Đến 09/2018 Giang ii
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 2018 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Trần Quốc Hiếu iii
LỜI CẢM TẠ Sau một thời gian nghiên cứu, được sự động viên, giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của giáo viên hướng dẫn TS. Nguyễn Thị Mi Sa, luận văn với đề tài “Đánh giá ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng mặt trời và năng lượng gió” đã hoàn thành. Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến: Giáo viên hướng dẫn TS. Nguyễn Thị Mi Sa đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn này. Phòng quản lý đào tạo sau đại học, các thầy giáo, cô giáo Khoa Điện trường Đại học Sư phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh đã giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập cũng như trong quá trình nghiên cứu đề tài. Toàn thể các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình và người thân đã quan tâm,động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn. iv
TÓM TẮT Việc nghiên cứu hệ thống điện có tích hợp năng lượng mặt trời và năng lượng gió có ý nghĩa hết sức quan trọng góp phần khai thác triệt để nguồn năng lượng tự nhiên to lớn khi các nguồn năng lượng truyền thống đang ngày càng cạn kiệt. Bài báo nghiên cứu ổn định của một hệ thống phát điện tích hợp năng lượng mới bao gồm năng lượng gió và năng lượng mặt trời nối với lưới điện . Năng lượng gió sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG). Từ khóa: Năng lượng gió, năng lượng mặt trời, máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu, kết hợp, ổn định động. ABSTRACT The studied grid connecting photo-voltaic system and wind energy system is very important. It crucially contributed to exploit the natural energy when traditional energy is dwinding. This thesis studies the stability of an integrated renewable power generation system including wind power and solar power which are connected to a commercial power system. The wind power generators are based on the Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG). Keywords: Wind power, solar power, PMSG, hybrid, dynamicstability. v
MỤC LỤC CHƯƠNG 1:..................................................................................................................................1 GIỚI THIỆU CHUNG ...................................................................................................................1 1.1. Lý do chọn đề tài và tính cấp thiết của đề tài............................................................................1 1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu. .............................................................................................4 1.4. Phương pháp nghiên cứu. ........................................................................................................6 1.5. Đóng góp và điểm mới của luận văn. .......................................................................................6 1.6. Nội dung của luận văn. ............................................................................................................6 CHƯƠNG 2:..................................................................................................................................8 CẤU HÌNH VÀ MÔ HÌNH TOÁN HỌC .......................................................................................8 CỦA HỆ THỐNG..........................................................................................................................8 2.1. Cấu hình hệ thống nghiên cứu .................................................................................................8 2.2. Mô hình toán học của hệ thống ................................................................................................8 2.2.1. Mô hình pin năng lượng mặt trời ......................................................................................8 2.2.1.1. Tổng quan về pin mặt trời ..........................................................................................8 2.2.1.2 Đặc tính làm việc của pin mặt trời ..............................................................................9 2.2.1.3 Tấm năng lượng mặt trời........................................................................................... 12 2.2.1.4 Cách ghép nối các tấm pin năng lượng mặt trời ......................................................... 13 2.2.1.5 Hệ quang điện làm việc với lưới................................................................................ 15 2.2.1.6 Các bộ biến đổi trong hệ PV ..................................................................................... 16 2.2.1.7 Mô hình PV trong nghiên cứu ................................................................................... 16 2.2.2. Mô hình máy phát điện gió ............................................................................................. 18 2.2.2.1 Tuabin gió ................................................................................................................ 19 2.2.2.2 Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu .............................................................. 19 2.2.2.3 Bộ chuyển đổi công suất máy phát điện năng lượng gió đồng bộ nam châm vĩnh cửu 20 2.2.3. Mô hình toán học của hệ thống gồm máy phát đồng bộ kết nối thanh cái vô cùng lớn dùng trong nghiên cứu ổn định .......................................................................................................... 21 2.2.3.1.Mô hình máy đồng bộ có xét đến ảnh hưởng của cuộn kích từ và cuộn cản ................ 22 2.2.3.2. Mô hình bộ kích từ PSS ........................................................................................... 23 2.2.3.3.Phương trình của máy phát đồng bộ có xét đến ảnh hưởng của cuộn kích từ cuộn cản và bộ kích từ. ....................................................................................................................... 23 CHƯƠNG 3:................................................................................................................................ 28 LÝ THUYẾT VỀ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ................................................................................... 28 3.1 Các khái niệm cơ bản ............................................................................................................. 28 3.1.1 Hệ thống điện (HTĐ) và chế độ của HTĐ ........................................................................ 28 vi
3.1.1.1 Hệ thống điện (HTĐ) ................................................................................................ 28 3.1.1.2 Chế độ của HTĐ ....................................................................................................... 28 3.1.1.3 Yêu cầu đối với các chế độ của HTĐ ........................................................................ 29 3.1.2 Khái niệm về ổn định HTĐ .............................................................................................. 30 3.1.2.1 Cân bằng công suất ...................................................................................................30 3.1.2.2 Khái niệm ổn định HTĐ[17] ..................................................................................... 32 3.1.3 Phân loại ổn định HTĐ ....................................................................................................33 3.1.3.1 Ổn định tĩnh[17] ....................................................................................................... 33 3.1.3.2 Ổn định động ............................................................................................................ 33 3.2 Các tiêu chuẩn đánh giá ổn định tĩnh ..................................................................................... 34 3.2.1 Tiêu chuẩn năng lượng[18] .............................................................................................. 34 3.2.2 Phương pháp dao động bé[18] ......................................................................................... 36 3.3. Các tiêu chuẩn đánh giá ổn định động.................................................................................... 37 3.3.1. Phương pháp diện tích ....................................................................................................37 3.3.2 Tiêu chuẩn cân bằng diện tích .......................................................................................... 43 3.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định động .......................................................................... 47 CHƯƠNG 4:................................................................................................................................ 49 ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH HỆ MỘT MÁY ....................................................................................... 49 KẾT NỐI ĐIỆN MẶT TRỜI VÀ ĐIỆN GIÓ ............................................................................... 49 4.1. Đánh giá ổn định tĩnh ............................................................................................................ 49 4.1.1.Xét 4 máy ĐB 555 MVA (2220 MVA), 24 kV, 60 Hz [19] .............................................. 50 4.1.2.Xét hệ thống PV có công suất 60MW với bộ chuyển đổi DC – AC ..................................50 4.1.3.Xét hệ thống năng lượng gió công suất 60MW ................................................................ 51 4.1.4.Trị riêng của hệ thống ...................................................................................................... 52 4.2. Mô phỏng trong miền thời gian ............................................................................................. 53 4.2.1. Mô phỏng trong điều kiện gió thay đổi............................................................................ 53 4.2.2. Mô phỏng trong trường hợp ngắn mạch .......................................................................... 56 4.2.3. Trường hợp tải thay đổi ..................................................................................................59 4.2.4. Trường hợp khi điện áp hệ thống PV thay đổi .................................................................61 4.2.5. Trường hợp khi ngắn mạch và điện áp hệ thống PV thay đổi ........................................... 63 CHƯƠNG 5.................................................................................................................................66 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI .............................................................. 66 5.1. Kết luận ................................................................................................................................ 66 5.2. Hướng phát triển của đề tài....................................................................................................66 TÀI LIỆU THAM KHẢO: ........................................................................................................... 67 vii
DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT PV (Photovoltaics): Điện mặt trời MPP (Maximum Power Point): Điểm công suất cực đại PMSG (Permanent-magnet synchronous generator): Máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cữu VSC (Voltage Source Converter): Bộ biến đổi nguồn điện áp PSS (Power System Stabilizer): Thiết bị ổn định hệ thống điện SG (Synchronous generator): Máy phát điện đồng bộ WT (Wind Turbine): Tuabin gió Λ (Eigen Value) : Trị riêng viii
DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH Trang Hình 1.1.Tổng công suất năng lượng mặt trời năm 2014 và cộng thêm năm 2015[0]…………………………………………………………….1 Hình 2.1.Cấu hình của hệ thống được dùng để nghiên cứu…………………. 8 Hình 2.2.Đường đặt tính làm việc U – I của pin mặt trời …………………... 10 Hình 2.3.Sơ đồ tương đương pin mặt trời……………………………………10 Hình 2.4.Sự phụ thuộc của đặc trưng VA của pin mặt trời vào cường độ bức xạ Mặt trời………………………………………………. 11 Hình 2.5.Sự phụ thuộc của đường đặc tính của pin mặt trời vào nhiệt độ của pin……………………………………………………………… 11 Hình 2.6.Đường đặc tính tải và đặc tính của pin mặt trời……………………12 Hình 2.7.Ghép nối tiếp hai môđun pin mặt trời (a) và đường đặc trưng VA của các môđun và của cả hệ (b) …………………... 13 Hình 2.8.Ghép song song hai môđun pin mặt trời (a) và đường đặc trưng VA của các môđun và của cả hệ (b)…………………… 15 Hình 2.9.Mạch tương đương của mảng PV đã nghiên cứu…………………. 17 Hình 2.10.Mạch tương đương của dòng dc và biến tần dc-ac của hệ thống PV ………………………………………………………………... 18 Hình 2.11.Biểu đồ khối điều khiển biến tần dc-to-ac của hệ thống PV…….. 18 Hình 2.12.Hệ thống máy phát đồng bộ - PMSG……………………………. 19 Hình 2.13.Sơ đồ bộ chuyển đổi công suất với máy phát PMSG …………… 20 Hình 2.14.Hệ gồm máy đồng bộ kết nối với thanh cái vô cùng lớn ………... 21 Hình 2.15.Mạch tương đương máy phát đồng bộ…………………………… 22 Hình 2.16.Hệ thống kích từ với PSS ……………………………………….. 23 Hình 2.17 Hệ thống kích từ với PSS ở dạng đơn giản………………………. 23 Hình 3.1.Hệ thống điện đơn giản và sơ đồ tương đương…………………… 34 ix
Hình 3.2.Miền làm việc ổn định của hệ thống điện đơn giản (đậm)………... 35 Hình 3.3.Mô hình một máy phát nối với thanh cái vô cùng lớn …………… 37 Hình 3.4.Biểu diễn hệ thống bằng mô hình máy phát cổ điển……………… 37 Hình 3.5.Sơ đồ hệ thống và sơ đồ thay thế khi ngắn mạch………………… 39 Hình 3.6.Đồ thị đặc tính công suất………………………………………….. 40 Hình 3.7.Sơ đồ tương đương của hệ thống sau khi cắt ngắn mạch…………. 40 Hình 3.8.Mối quan hệ góc – công suất……………………………………… 41 Hình 3.9.Đáp ứng đối với sự thay đổi công suất cơ………………………… 42 Hình 3.10.Sự cố ngắn mạch xảy ra tại F (a) và mạch tương đương (b)…….. 45 Hình 3.11.Minh họa hiện tượng ổn định động ………………………………46 Hình 4.1.Cấu hình hệ thống…………………………………………………. 49 Hình 4.2.Sơ đồ khối thay đổi tốc độ gió…………………………………….. 54 Hình 4.3.Đáp ứng của hệ thống …………………………………………….. 56 Hình 4.4.Sơ đồ khối ngắn mạch…………………………………………….. 57 Hình 4.5.Đáp ứng của hệ thống …………………………………………….. 59 Hình 4.6.Đáp ứng của hệ thống …………………………………………….. 61 Hình 4.7.Đáp ứng của hệ thống …………………………………………….. 63 Hình 4.8.Đáp ứng của hệ thống …………………………………………….. 64 x
DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 1.1.Giá trị trung bình cường độ bức xạ mặt trời ngày trong năm và số giờ nắng của một số khu vực khác nhau ở Việt Nam. [2]…………... 2 Bảng 1.2.Tiềm năng gió của Việt Nam ở độ cao 80 m so với bề mặt đất.... 3 Bảng 2.1.Ý nghĩa các ký hiệu dùng trong phương trình…………………... 25 Bảng 4.1.Các thông số sử dụng cho hệ thống PV………………………… 51 Bảng 4.2.Các thông số sử dụng cho hệ thống năng lượng gió…………… 52 Bảng 4.3. Các giá trị riêng (rad/s) của hệ thống ………………………… 53 xi
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1. Lý do chọn đề tài và tính cấp thiết của đề tài. Hiện nay, các nguồn nhiên liệu hóa thạch như than đá, dầu mỏ, khí đốt đã và đang đáp ứng phần lớn nhu cầu năng lượng của con người, tuy nhiên năng lượng hóa thạch là nguồn nguyên liệu không bền vững. Việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch là một trong các nguyên nhân chính gây ra biến đổi khí hậu và thậm chí làm ảnh hưởng nghiêm trọng tới sức khỏe con người. Hơn nữa, các nguồn nhiên liệu nói trên đang dần cạn kiệt, vì vậy việc nghiên cứu và sử dụng các nguồn năng lượng mới có khả năng tái tạo như: năng lượng gió, năng lượng mặt trời. Về năng lượng mặt trời, tính từ vĩ tuyến 17 trở vào phía Nam, bức xạ mặt trời nhiều và ổn định trong suốt thời gian của năm, chỉ giảm khoảng 20% trong mùa mưa. Số giờ nắng trong năm ở miền Bắc là vào khoảng 1.500 – 1.700 giờ, ở miền Trung và miền Nam là vào khoảng 2.000-2.600 giờ. Hình 1.1. Tổng công suất năng lượng mặt trời năm 2014 và công thêm năm 2015[0] Trong năm 2016, ít nhất 75GW năng lượng mặt trời đã được bổ sung trên toàn thế giới tương đương với việc hơn 31.000 tấm pin năng lượng mặt trời được lắp đặt mỗi giờ[1]. Việt Nam là một trong các quốc gia có tiềm năng đáng kể về năng lượng mặt trời, phía Bắc bình quân có khoảng 1.800 – 2.100 giờ nắng/năm, phía Nam (từ Đà Nẵng trở vào) bình quân từ 2.000 – 2.600 giờ nắng/năm. Như chúng ta thấy được thì ở miền Nam quanh năm nắng dồi dào. 1