Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật điện: Nghiên cứu hệ thống điện lai năng lượng gió và mặt trời nối lưới

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:128

Thêm vào BST

Báo xấu

32
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài "Nghiên cứu hệ thống điện lai năng lượng gió và mặt trời nối lưới" nghiên cứu tình hình khai thác và sử dụng nguồn các nguồn năng lượng tái tạo; nghiên cứu tổng quan hệ thống điện năng lượng mặt trời và gió; nghiên cứu xây dựng mô hình toán hệ thống điện năng lượng mặt trời và gió; nghiên cứu điều khiển vận hành hệ thống điện năng lượng mặt trời và gió; mô phỏng điều khiển vận hành hệ thống điện năng lượng mặt trời và gió.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật điện: Nghiên cứu hệ thống điện lai năng lượng gió và mặt trời nối lưới

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM --------------------------- HỒ MINH QUÂN NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỆN LAI NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ MẶT TRỜI NỐI LƯỚI LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số ngành: 60520202 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. HUỲNH CHÂU DUY TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 11 năm 2017
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM --------------------------- HỒ MINH QUÂN NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỆN LAI NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ MẶT TRỜI NỐI LƯỚI LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số ngành: 60520202 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. HUỲNH CHÂU DUY TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 11 năm 2017
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Huỳnh Châu Duy (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM ngày … tháng … năm … Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ) TT Họ và tên Chức danh Hội đồng 1 PGS. TS. Nguyễn Thanh Phương Chủ tịch 2 PGS. TS. Dương Hoài Nghĩa Phản biện 1 3 PGS. TS. Quyền Huy Ánh Phản biện 2 4 PGS.TS. Lê Minh Phương Ủy viên 5 TS. Nguyễn Minh Tâm Ủy viên, Thư ký Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được sửa chữa (nếu có). Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV
TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC Độc lập – Tự do – Hạnh phúc Tp.HCM, ngày......tháng .năm 2017 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: HỒ MINH QUÂN Giới tính: NAM Ngày, tháng, năm sinh: 15/10/1989 Nơi sinh: TP. Hồ Chí Minh Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN MSHV: 1541830011 I- Tên đề tài: NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỆN LAI NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ MẶT TRỜI NỐI LƯỚI II- Nhiệm vụ và nội dung: - Nghiên cứu tình hình khai thác và sử dụng nguồn các nguồn năng lượng tái tạo; - Nghiên cứu tổng quan hệ thống điện năng lượng mặt trời và gió; - Nghiên cứu xây dựng mô hình toán hệ thống điện năng lượng mặt trời và gió; - Nghiên cứu điều khiển vận hành hệ thống điện năng lượng mặt trời và gió; - Mô phỏng điều khiển vận hành hệ thống điện năng lượng mặt trời và gió. III- Ngày giao nhiệm vụ: IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: V- Cán bộ hướng dẫn: PGS. TS. HUỲNH CHÂU DUY CÁN BỘ HUỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký) PGS. TS. Huỳnh Châu Duy
i LỜI CAM ÐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu và kết quả đạt được trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã được cảm ơn và các tài liệu tham khảo trong Luận văn đã được trích dẫn đầy đủ nguồn gốc. Học viên thực hiện Luận văn Hồ Minh Quân
ii LỜI CÁM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy PGS. TS. Huỳnh Châu Duy đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi hoàn thành đầy đủ và tốt các nhiệm vụ được giao của đề tài luận văn tốt nghiệp này. Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô đã trang bị cho tôi nhiều kiến thức quý báu của chuyên ngành Kỹ thuật điện mà là một nền tảng vững chắc cho tôi hoàn thành tốt đề tài luận văn tốt nghiệp này. Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể Lớp 15SMĐ11 đã động viên và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện đề tài luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Công nghệ Tp. HCM; Khoa Cơ - Điện - Điện tử và Viện Đào tạo sau đại học đã tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi có thể hoàn thành khóa học và đề tài luận văn tốt nghiệp này. Hồ Minh Quân
iii TÓM TẮT Luận văn thực hiện nghiên cứu các vấn đề liên quan đến, “Nghiên cứu hệ thống điện lai năng lượng gió và mặt trời”mà bao gồm các nội dung như sau: - Chương 1: Giới thiệu chung - Chương 2: Cơ sở lý thuyết năng lượng mặt trời và gió - Chương 3: Hệ thống điện lai năng lượng mặt trời và gió - Chương 4: Mô phỏng hệ thống điện lai năng lượng mặt trời và gió - Chương 5: Kết luận và hướng phát triển tương lai
iv ABSTRACT The thesis presents issues relating to "Hibrid power systems of wind and solar energies". It consists of the following contents: - Chapter 1: Introduction - Chapter 2: Background to wind and solar energies - Chapter 3: Hybrid power systems of wind and solar energies - Chapter 4: Simulation results - Chapter 5: Conclusions and future works
v MỤC LỤC LỜI CAM ÐOAN ....................................................................................................... i LỜI CÁM ƠN ............................................................................................................ ii TÓM TẮT ................................................................................................................. iii ABSTRACT .............................................................................................................. iv MỤC LỤC ...................................................................................................................v DANH MỤC CÁC BẢNG...................................................................................... viii DANH MỤC CÁC HÌNH ......................................................................................... ix Chương 1 .....................................................................................................................1 Giới thiệu chung ..........................................................................................................1 1.1. Giới thiệu..........................................................................................................1 1.2. Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu .......................................................................1 1.3. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu ..................................................................18 1.4. Phạm vi nghiên cứu ........................................................................................18 1.5. Giá trị thực tiễn của luận văn .........................................................................18 1.6. Nội dung của luận văn....................................................................................19 Chương 2 ...................................................................................................................20 Cơ sở lý thuyết năng lượng mặt trời và gió ..............................................................20 2.1. Năng lượng mặt trời .......................................................................................20 2.1.1. Giới thiệu.................................................................................................20 2.1.2. Các công nghệ sử dụng năng lượng mặt trời ..........................................21 2.1.3. Các ưu và nhược điểm của năng lượng mặt trời .....................................21 2.1.3.1. Ưu điểm ............................................................................................21 2.1.3.2. Nhược điểm ......................................................................................22 2.1.4. Pin mặt trời ..............................................................................................22 2.1.4.1. Giới thiệu pin mặt trời ......................................................................22 2.1.4.2. Cấu tạo của pin mặt trời ...................................................................23 2.1.4.3. Nguyên tắc hoạt động ......................................................................26 2.1.4.4. Đặc tính của pin mặt trời ..................................................................26 2.1.5. Các mô hình hệ thống pin mặt trời..........................................................31 2.1.6. Bộ biến đổi nguồn ...................................................................................33
vi 2.1.6.1. Giới thiệu..........................................................................................33 2.1.6.2. Bộ biến đổi tăng áp ..........................................................................34 2.1.6.3. Nguyên tắc hoạt động của bộ tăng áp ..............................................36 2.1.6.4. Mô hình toán học của bộ biến đổi tăng áp .......................................39 2.2. Năng lượng gió ...............................................................................................42 2.2.1. Sự hình thành năng lượng gió .................................................................42 2.2.2. Lịch sử phát triển nguồn năng lượng gió ................................................43 2.2.3. Năng lượng gió trên thế giới ...................................................................44 2.2.4. Nguồn năng lượng gió tại Đông Nam Á .................................................45 2.2.5. Nguồn năng lượng gió tại Việt Nam .......................................................46 2.2.6. Ứng dụng của năng lượng gió ................................................................49 2.2.7. Tuabin gió ...............................................................................................53 2.2.8. Những thuận lợi và khó khăn của việc sử dụng năng lượng gió ............54 2.2.8.1. Những thuận lợi ...............................................................................54 2.2.8.2. Những khó khăn ...............................................................................54 2.2.9. Cấu tạo của tuabin gió .............................................................................55 2.2.10. Nguyên lý làm việc ...............................................................................57 2.2.11. Hệ thống phát điện gió điển hình ..........................................................61 2.2.11.1. Máy phát điện không đồng bộ kiểu lồng sóc .................................61 2.2.11.2. Máy phát điện không đồng bộ kiểu dây quấn ................................62 2.2.11.3. Máy phát điện không đồng bộ kích từ kép.....................................63 2.2.11.4. Máy phát điện đồng bộ tự kích ......................................................66 2.2.11.5. Máy phát điện đồng bộ từ trường vĩnh cửu ...................................67 2.2.12. Kết nối máy phát điện gió với lưới điện ...............................................69 2.2.12.1. Điều khiển công suất tác dụng .......................................................69 2.2.12.2. Điều khiển công suất phản kháng và ổn định điện áp....................70 2.2.13. Cấu hình hệ thống và nguyên lý hoạt động của máy phát điện gió PMSG ................................................................................................................71 2.2.14. Mô hình toán của PMSG .......................................................................73 2.2.14.1. Mô hình máy phát điện gió PMSG trong hệ tọa độ abc .................73 2.2.14.2. Mô hình máy phát điện gió PMSG trong hệ tọa độ dq ..................74
vii 2.2.14.3. Công suất và mômen của PMSG ...................................................76 2.3. Pin lưu trữ năng lượng ...................................................................................77 2.3.1. Nguyên lý hoạt động của pin axít chì .....................................................78 2.3.2. Quá trình nạp - xả của pin axít-chì ..........................................................80 Chương 3 ...................................................................................................................83 Hệ thống điện lai năng lượng mặt trời và gió ...........................................................83 3.1. Giới thiệu........................................................................................................83 3.2. Ưu và nhược điểm của các hệ thống điện lai .................................................84 3.2.1. Ưu điểm của các hệ thống điện lai ..........................................................84 3.2.2. Nhược điểm của các hệ thống điện lai ghép ...........................................84 3.3. Hệ thống điện lai năng lượng gió, mặt trời và ắc-quy ...................................84 3.4. Hệ thống điện lai năng lượng mặt trời và pin nhiên liệu ...............................85 3.5. Hệ thống điện lai năng lượng mặt trời và gió ............................................86 3.6. Tích trữ các nguồn năng lượng tái tạo ...........................................................87 3.6.1. Hệ thống tích trữ năng lượng bằng bơm nước thủy điện ........................88 3.6.2. Hệ thống tích trữ năng lượng bằng khí nén ............................................89 3.7. Các ứng dụng của hệ thống điện lai ...............................................................90 Chương 4 ...................................................................................................................91 Mô phỏng hệ thống điện lai năng lượng mặt trời và gió...........................................91 4.1. Giới thiệu........................................................................................................91 4.2. Kết quả mô phỏng ..........................................................................................96 4.2.1. Cường độ bức xạ và tốc độ gió không đổi ..............................................96 4.2.2. Cường độ bức xạ thay đổi và tốc độ gió không đổi ..............................100 4.2.3. Cường độ bức xạ thay đổi và tốc độ gió thay đổi .................................105 Chương 5 .................................................................................................................110 Kết luận và hướng phát triển tương lai ...................................................................110 5.1. Kết luận ........................................................................................................110 5.2. Hướng phát triển tương lai ...........................................................................110 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................112
viii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1. Hiệu suất các loại vật liệu pin mặt trời .....................................................25
ix DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Sơ đồ khối hệ thống điện lai năng lượng gió và mặt trời ............................2 Hình 1.2. Sơ đồ khối hệ thống điện kết hợp gió và mặt trời .......................................4 Hình 1.3. Mô hình hệ thống điện kết hợp gió và mặt trời ...........................................4 Hình 1.4. Hệ thống điện kết hợp với hệ thống nguồn dự phòng .................................7 Hình 1.5. Hệ thống điện kết hợp không có hệ thống nguồn dự phòng .......................7 Hình 1.6. Hệ thống điện kết hợp cung cấp nguồn gián tiếp đến phụ tải thông qua bộ điều khiển ....................................................................................................................7 Hình 1.7. Các thành phần cơ bản của hệ thống điện kết hợp gió và mặt trời .............8 Hình 1.8. Kết nối giữa các thành phần trong hệ thống điện kết hợp gió và mặt trời ..8 Hình 1.9. Sơ đồ khối của hệ thống điện kết hợp gió và mặt trời ................................9 Hình 1.10. Sơ đồ khối điều khiển bám điểm công suất cực đại cho hệ thống pin quang điện sử dụng kỹ thuật điều khiển logic mờ ....................................................10 Hình 1.11. Sơ đồ khối điều khiển bám điểm công suất cực đại cho hệ thống điện gió sử dụng kỹ thuật điều khiển logic mờ .......................................................................10 Hình 1.12. Dự án hệ thống hỗn hợp Pin mặt trời – Diesel Bãi Hương .....................11 Hình 1.13. Dự án hệ thống điện năng lượng mặt trời và gió trên quần đảo Trường Sa ...................................................................................................................................13 Hình 1.14. Hệ thống điện kết hợp gió, mặt trời và biogas ........................................14 Hình 1.15. Hệ thống điện kết hợp gió, mặt trời và biogas được lắp đặt tại Đảo Mê, Tỉnh Thanh Hóa ........................................................................................................16 Hình 1.16. Trạm phát điện hỗn hợp năng lượng gió và mặt trời ..............................17 Hình 2.1. Pin mặt trời ................................................................................................23 Hình 2.2. Các loại cấu trúc tinh thể của PV ..............................................................24 Hình 2.3. Các loại vật liệu PV...................................................................................25 Hình 2.4. Sơ đồ hoạt động của pin mặt trời silic ......................................................26 Hình 2.5. Mạch tương đương của mảng PV .............................................................27 Hình 2.6. Đặc tính môđun PV khi cường độ ánh sáng mặt trời thay đổi và nhiệt độ môi trường không đổi (250C) ....................................................................................29 Hình 2.7. Đặc tính môđun PV khi cường độ ánh sáng mặt trời không đổi và nhiệt độ môi trường thay đổi ...................................................................................................31
x Hình 2.8. Sơ đồ khối hệ thống hòa lưới điện ............................................................32 Hình 2.9. Sơ đồ khối hệ thống làm việc độc lập .......................................................32 Hình 2.10. Sơ đồ khối hệ thống hòa lưới điện có dự trữ...........................................33 Hình 2.11. Mạch bộ biến đổi tăng áp ........................................................................35 Hình 2.12. Chế độ dẫn liên tục của bộ biến đổi tăng áp ...........................................36 Hình 2.13. Chế độ dẫn gián đoạn của bộ biến đổi tăng áp........................................36 Hình 2.14. Transitor ở chế độ on ..............................................................................37 Hình 2.15. Transitor ở chế độ off ..............................................................................38 Hình 2.16. Mối tương quan giữa bộ biến đổi tăng áp lý tưởng và hệ số làm việc ....39 Hình 2.17. Bộ biến đổi tăng áp không lý tưởng ........................................................39 Hình 2.18. Bản đồ vận tốc gió theo mùa ...................................................................43 Hình 2.19. Công suất điện gió trên thế giới trong thời gian 1996 - 2008 .................45 Hình 2.20. Biểu đồ phân bố gió Việt Nam ở độ cao 80 m ........................................48 Hình 2.21. Tuabin gió của nhà máy điện gió Tuy Phong, Bình Thuận ....................51 Hình 2.22. Tuabin gió của nhà máy điện gió đảo Phú Quý, Bình Thuận .................51 Hình 2.23. Tuabin gió của nhà máy điện gió Bạc Liêu ............................................52 Hình 2.24. Điện gió Phú Lạc, Bình Thuận ................................................................52 Hình 2.25. Cấu trúc của một tuabin gió ....................................................................55 Hình 2.26. Kết cấu của một máy phát điện gió .........................................................57 Hình 2.27. Đường cong hiệu suất rotor .....................................................................59 Hình 2.28. Đặc tính quan hệ Cp= f(λ) của tuabin gió ...............................................60 Hình 2.29. Đường đặc tính Công suất – Tốc độ góc của Tuabin gió .......................60 Hình 2.30. Hệ thống phát điện gió sử dụng máy phát SCIG ....................................62 Hình 2.31. Hệ thống phát điện gió sử dụng máy phát WRIG ...................................63 Hình 2.32. Hệ thống phát điện gió sử dụng máy phát DFIG ....................................64 Hình 2.33. Tuabin gió tốc độ biến đổi sử dụng bộ bộ biến đổi tần số tỉ lệ cho nguồn kích từ ........................................................................................................................65 Hình 2.34. Hệ thống phát điện gió sử dụng máy phát điện EESG............................67 Hình 2.35. Hệ thống điện gió sử dụng PMSG ..........................................................68 Hình 2.36. Hệ thống các loại tuabin gió ...................................................................69 Hình 2.37. Sơ đồ hệ thống điện gió sử dụng PMSG .................................................71
xi Hình 2.38. Chuyển đổi năng lượng gió thành năng lượng điện trong hệ thống điện gió PMSG ..................................................................................................................72 Hình 2.39. Hệ thống nghịch lưu công suất của hệ thống điện gió PMSG ................72 Hình 2.40. Mặt cắt của PMSG 2 cực ........................................................................73 Hình 2.41. Sơ đồ mạch tương đương của PMSG trong hệ tọa độ dq .......................76 Hình 2.42. Cấu hình một pin axít chì (đã nạp đầy) đang xả điện ............................. 79 Hình 2.43. Mạch tương đương của pin ..................................................................... 79 Hình 2.44. Phương trình điện áp nạp và xả ...............................................................80 Hình 2.45. Chu trình nạp của pin axít chì trong chu kỳ sạc sâu ...............................81 Hình 3.1. Sơ đồ hệ thống điện lai năng lượng gió, mặt trời và ắc-quy .....................85 Hình 3.2. Hệ thống điện lai năng lượng mặt trời và pin nhiên liệu ..........................86 Hình 3.3. Sơ đồ hệ thống điện lai pin mặt trời và tuabin gió ....................................87 Hình 3.4. Mô hình của hệ thống tích trữ năng lượng bằng việc bơm nước thủy điện ...................................................................................................................................88 Hình 3.5. Mô hình của hệ thống tích trữ năng lượng bằng khí nén ..........................89 Hình 4.1. Sơ đồ khối hệ thống điện lai năng lượng mặt trời và gió ..........................91 Hình 4.2. Sơ đồ mô phỏng hệ thống điện lai năng lượng mặt trời và gió .................92 Hình 4.3. Sơ đồ mô phỏng hệ thống điện mặt trời ....................................................92 Hình 4.4. Sơ đồ mô phỏng thay thế cho một tế bào pin quang điện .........................93 Hình 4.5. Sơ đồ mô phỏng hệ thống điện gió ...........................................................93 Hình 4.6. Mô hình tuabin gió ....................................................................................94 Hình 4.7. Các đặc tuyến công suất của tuabin gió tương ứng với các tốc độ gió khác nhau từ 6 (m/s) đến 13,2 (m/s) ..................................................................................95 Hình 4.8. Tải của hệ thống điện lai năng lượng mặt trời và gió ...............................95 Hình 4.9. Cường độ bức xạ không đổi, G1 = 1000 (W/m2) ......................................96 Hình 4.10. Cường độ dòng điện của hệ thống PV với cường độ bức xạ không đổi, G1 = 1000 (W/m2) .....................................................................................................97 Hình 4.11. Điện áp của hệ thống PV với cường độ bức xạ không đổi, G1 = 1000 (W/m2) .......................................................................................................................97 Hình 4.12. Tốc độ gió không đổi, v1 = 12 (m/s) .......................................................98
xii Hình 4.13. Cường độ dòng điện pha A của máy phát điện gió PMSG, ia(A) với tốc độ gió không đổi, v1 = 12 (m/s).................................................................................98 Hình 4.14. Điện áp dây AB của máy phát điện gió PMSG, vab(V) với tốc độ gió không đổi, v1 = 12 (m/s) ............................................................................................99 Hình 4.15. Cường độ dòng điện của hệ thống điện lai năng lượng mặt trời và gió, iabc(A) với cường độ bức xạ không đổi, G1 và tốc độ gió không đổi, v1 ...................99 Hình 4.16. Điện áp của hệ thống điện lai năng lượng mặt trời và gió, vabc(A) với cường độ bức xạ không đổi, G1 và tốc độ gió không đổi, v1 ..................................100 Hình 4.17. Cường độ bức xạ thay đổi, G2 (W/m2) ..................................................101 Hình 4.18. Cường độ dòng điện của hệ thống PV với cường độ bức xạ thay đổi, G2(W/m2) .................................................................................................................101 Hình 4.19. Điện áp của hệ thống PV với cường độ bức xạ thay đổi, G2 (W/m2) ...102 Hình 4.20. Tốc độ gió không đổi, v2 = 12 (m/s) .....................................................102 Hình 4.21. Cường độ dòng điện pha A của máy phát điện gió PMSG, ia(A) .........103 Hình 4.22. Điện áp dây AB của máy phát điện gió PMSG, vab(V) ........................103 Hình 4.23. Cường độ dòng điện của hệ thống điện lai năng lượng mặt trời và gió, iabc(A).......................................................................................................................104 Hình 4.24. Điện áp của hệ thống điện lai năng lượng mặt trời và gió, vabc(A) .......104 Hình 4.25. Cường độ bức xạ thay đổi, G3 (W/m2) ..................................................105 Hình 4.26. Cường độ dòng điện của hệ thống PV với cường độ bức xạ thay đổi, G3(W/m2) .................................................................................................................106 Hình 4.27. Điện áp của hệ thống PV với cường độ bức xạ thay đổi, G3 (W/m2) ...106 Hình 4.28. Tốc độ gió thay đổi, v3 (m/s) .................................................................107 Hình 4.29. Cường độ dòng điện pha A của máy phát điện gió PMSG, ia(A) .........107 Hình 4.30. Điện áp dây AB của máy phát điện gió PMSG, vab(V) ........................108 Hình 4.31. Cường độ dòng điện của hệ thống điện lai năng lượng mặt trời và gió, iabc(A).......................................................................................................................108 Hình 4.32. Điện áp của hệ thống điện lai năng lượng mặt trời và gió, vabc(A) .......109
1 Chương 1 Giới thiệu chung 1.1. Giới thiệu Điện năng đóng vai trò thiết yếu cho sự tồn tại và phát triển của xã hội, là huyết mạch của nền kinh tế của một quốc gia. Hiện nay, phần lớn năng lượng điện được sản xuất từ các năng lượng hóa thạch (than đá, dầu mỏ, khí đốt,..) mà không được xem là nguồn năng lượng tái tạo. Trước tình trạng nguồn năng lượng này đang dần cạn kiệt trong với tốc độ nhanh cũng như các vấn đề khác liên quan đến ô nhiễm môi trường làm ảnh hưởng đến điều kiện sống như khí thải gây hiệu ứng nhà kính, trái đất nóng dần lên, nước biển dâng cao, khói bụi và mưa axít xảy ra nhiều nơi trên thế giới. Vì vậy, việc nghiên cứu và tìm ra các nguồn năng lượng thay thế cho nguồn năng lượng hóa thạch đang trở nên cấp thiết cho mỗi quốc gia. Nguồn năng lượng đang được đánh giá là nhiều tiềm năng và đáp ứng các vấn đề cấp thiết cho ngành năng lượng điện chính là các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng thủy triều, năng lượng sóng biển, . . . Tuy nhiên, do đặc thù riêng của ngành năng lượng tái tạo, chi phí đầu tư cho các công nghệ năng lượng mặt trời, năng lượng gió,... vẫn còn khá cao; phương thức khai thác cho từng nguồn năng lượng này cũng khác nhau. Điều này dẫn đến các hạn chế về hiệu quả khai thác các nguồn năng lượng tái tạo nếu các nguồn này được khai thác và sử dụng độc lập. Việc ghép nối và phối hợp khai thác các nguồn năng lượng tái tạo là xu hướng phát triển của ngành năng lượng điện. Đây chính là lý do đề tài, “Nghiên cứu hệ thống điện lai năng lượng gió và mặt trời nối lưới” được lựa chọn và thực hiện trong luận văn này. Kết quả của nghiên cứu này là phù hợp cho nhu cầu cung cấp năng lượng điện đáp ứng sự phát triển kinh tế - xã hội của một quốc gia, giảm thiểu các áp lực cho các nguồn năng lượng điện truyền thống, giảm thiểu các vấn đề liên quan đến ô nhiễm môi trường,... 1.2. Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu Các tác giả Lại Khắc Lãi, Vũ Nguyên Hải và Trần Gia Khánh với công trình nghiên cứu, “Điều khiển hệ thống lai năng lượng gió và mặt trời trong lưới điện
2 thông minh” đã giới thiệu việc xây dựng mô hình và điều khiển hệ thống điện lai năng lượng gió và mặt trời [1]. Sơ đồ khối hệ thống điện lai năng lượng gió và mặt trời được biểu diễn như Hình 1.1. Hình 1.1. Sơ đồ khối hệ thống điện lai năng lượng gió và mặt trời Hệ thống điện năng lượng mặt trời trong nghiên cứu này bao gồm các module pin quang điện (PV) phát ra điện năng một chiều với công suất phụ thuộc vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ môi trường. Trong nghiên cứu này, các tác giả đã sử dụng khối dò tìm điểm công suất cực đại với giải thuật tìm điểm công suất cực đại, InC mà phụ thuộc vào điều kiện bức xạ mặt trời và nhiệt độ môi trường. Dòng điện một chiều tương ứng với điểm công suất cực đại được đưa qua bộ chuyển đổi DC/DC để điều chỉnh điện điện áp. Sau đó, năng lượng điện được tạo ra từ năng lượng mặt trời được hòa với năng lượng điện được tạo ra từ năng lượng gió tại thanh cái một chiều. Trong khi đó, hệ thống điện gió sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu chuyển đổi cơ năng từ tuabin gió thành năng lượng điện. Điện áp xoay chiều được đưa qua bộ chỉnh lưu có điều khiển để điều khiển hòa với điện áp một chiều của pin quang điện. Trong hệ thống điện gió và mặt trời này, năng lượng từ các nguồn năng lượng khác nhau được hòa vào nhau dưới dạng năng lượng một chiều mà có thể được sử dụng trực tiếp cho tải một chiều hoặc đưa qua bộ biến đổi DC/AC chuyển đổi thành năng lượng điện xoay chiều mà có thể được sử dụng trực tiếp cho tải xoay chiều hoặc kết nối với lưới điện. Các kết quả mô phỏng cho thấy công suất và dòng điện ngõ ra của pin quang điện phụ thuộc nhiều vào điều kiện bức xạ mặt trời và nhiệt độ pin quang điện. Trong khi đó, điện áp của pin quang điện ít phụ thuộc vào bức xạ mặt trời mà phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ của pin quang điện. Khi nhiệt độ của pin quang điện tăng
3 thì công suất ngõ ra tối đa của pin quang điện sẽ giảm, trong khi đó cường độ dòng điện ngắn mạch sẽ tăng. Bên cạnh đó, các kết quả mô phỏng cũng cho thấy rằng công suất ngõ ra của hệ thống điện gió phụ thuộc nhiều vào tốc độ gió và tốc độ của máy phát điện. Trong đó, tốc độ là nhân tố chính ảnh hưởng quyết định đến công suất của hệ thống điện gió. Với các đánh giá trên, rõ ràng rằng để hệ thống tích hợp năng lượng điện gió và mặt trời làm việc ổn định và hiệu quả thì các hệ thống điều khiển cần linh hoạt và giảm thiểu đến mức thấp nhất các tác động của các yếu tố ngẫu nhiên như bức xạ mặt trời, tốc độ gió, ... Tác giả Hoàng Trí với công trình nghiên cứu, "Thiết kế và chế tạo mô hình thiết bị hệ thống kết hợp sử dụng năng lượng mặt trời và gió để sản xuất điện" đã giới thiệu một hệ thống điện kết hợp hệ thống pin quang điện, tuabin gió và pin lưu trữ dự phòng được tích hợp và tối ưu hóa hệ thống như một nguồn thay thế quy mô nhỏ của năng lượng điện ở các địa phương không có lưới điện quốc gia hoặc các vùng xa xôi hải đảo [2]. a)
4 b) Hình 1.2. Sơ đồ khối hệ thống điện kết hợp gió và mặt trời Hình 1.3. Mô hình hệ thống điện kết hợp gió và mặt trời