zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Luận Văn - Báo Cáo

» Thạc sĩ - Tiến sĩ - Cao học

Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật điện: Nghiên cứu thiết kế hệ thống hỗn hợp nhiều nguồn năng lượng tái tạo ứng dụng trong tòa nhà

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:73

Báo xấu

19
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật điện "Nghiên cứu thiết kế hệ thống hỗn hợp nhiều nguồn năng lượng tái tạo ứng dụng trong tòa nhà" trình bày các nội dung chính sau: Tổng quan các hệ thống năng lượng hỗn hợp; Thiết kế bộ biến đổi DC-DC trong hệ thống năng lượng hỗn hợp; Kết quả mô phỏng và thực nghiệm của hệ thống thiết kế.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật điện: Nghiên cứu thiết kế hệ thống hỗn hợp nhiều nguồn năng lượng tái tạo ứng dụng trong tòa nhà

BỘ CÔNG THƯƠNG ĐẶNG THANH PHÚ TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH ĐẶNG THANH PHÚ CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG HỖN HỢP NHIỀU NGUỒN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO ỨNG DỤNG TRONG TÒA NHÀ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN KHÓA:K2 QUẢNG NINH – NĂM 2021
BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH ĐẶNG THANH PHÚ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG HỖN HỢP NHIỀU NGUỒN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO ỨNG DỤNG TRONG TÒA NHÀ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS. NGUYỄN THẾ VĨNH QUẢNG NINH – NĂM 2021
BỘ CÔNG THƯƠNG CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC Độc lập - Tự do - Hạnh phúc CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Đặng Thanh Phú Mã học viên: CQ02CH0006 Ngày, tháng, năm sinh: 10/05/1987 Nơi sinh: Uông Bí, Quảng Ninh Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 1. Tên đề tài: Nghiên cứu hệ thống hỗn hợp nhiều nguồn năng lượng tái tạo ứng dụng trong tòa nhà 2. Nội dung: Nghiên cứu hệ thống hỗn hợp nhiều nguồn năng lượng tái tạo ứng dụng trong tòa nhà 3. Ngày giao nhiệm vụ: 16/10/2020 4. Ngày hoàn thiện nhiệm vụ: 15/5/2021 5. Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Thế Vĩnh …………………………………………………………………………………………... …………………………………………………………………………………………... Quảng Ninh, ngày 08 tháng 05 năm 2021 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TRƯỞNG BỘ MÔN (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên) TL. HIỆU TRƯỞNG TRƯỞNG KHOA (CHỦ QUẢN) (Ký, ghi rõ họ tên và đóng dấu)
Trường Đại học Công Nghiệp Quảng Ninh Luận văn Thạc sĩ LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan các kết quả nghiên cứu đưa ra trong luận văn này là các kết quả thu được trong quá trình nghiên cứu của riêng tôi cùng với sự hướng dẫn của thầy TS.Nguyễn Thế Vĩnh, không sao chép bất kỳ kết quả nghiên cứu nào của các tác giả khác. Nội dung nghiên cứu có tham khảo và sử dụng một số thông tin, tài liệu từ các nguồn tài liệu đã được liệt kê trong danh mục tài liệu tham khảo. Nếu sai tôi xin chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định. Quảng Ninh, ngày 08 tháng 05 năm 2021. Tác giả luận văn Học viên: Đặng Thanh Phú I Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Trường Đại học Công Nghiệp Quảng Ninh Luận văn Thạc sĩ LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin trân trọng cảm ơn Trường Đại học Công Nghiệp Quảng Ninh, Khoa Điện, các thầy cô và các đồng nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi và đóng góp nhiều ý kiến quý báu giúp tôi hoàn thành bản luận án này. Đặc biệt, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến Thầy hướng dẫn TS. Nguyễn Thế Vĩnh đã nhiệt tình hướng dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án. Tôi xin cảm ơn gia đình và người thân đã luôn bên tôi, ủng hộ và động viên tôi trong suốt quá trình nghiên cứu. Tôi xin chân thành cảm ơn! Quảng Ninh, ngày 08 tháng 05 năm 2021 Tác giả luận văn Học viên: Đặng Thanh Phú II Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Trường Đại học Công Nghiệp Quảng Ninh Luận văn Thạc sĩ DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT Ký hiệu Tên đại lượng TOE Đơn vị tiêu thụ năng lượng (Hệ số chuyển đổi năng lượng 1 sang đơn vị điện sang TOE=0.0001543*lượng tiêu thụ nhiên liệu (đơn vị vật lý)) 2 HES Hệ thống năng lượng lai 3 Inverter Bộ biến tần 4 PE Giao diện điện tử công suất 5 AC Dòng điện xoay chiều 6 DC Dòng điện một chiều 7 Buck-Boost Bộ biến đổi cơ bản Buck (hạ áp) và Boost (tăng áp) 8 Vlow Nguồn hạ thế 9 Vhi Nguồn cao áp 10 VL Điện áp cuộn cảm 11 IL Dòng điện dẫn 12 SIDO Bộ chuyển đổi đầu ra kép đầu vào đơn 13 PWM Chế độ rộng xung đầu ra kép 14 TPC Bộ chuyển đổi ba cổng 15 MPPT Phương pháp dò tìm điểm làm việc 16 BBĐ Bộ biến đổi 17 LUT Thuật toán bảng tra cứu 18 P&O Thuật toán làm nhiễu loạn và quan sát 19 Iref Dòng điện tham chiếu Iref Học viên: Đặng Thanh Phú III Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Trường Đại học Công Nghiệp Quảng Ninh Luận văn Thạc sĩ DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Tỷ trọng sản xuất điện bằng nhiên liệu (2000-2040) [1] ..................................... 6 Hình 1.2. Chia sẻ về sản xuất năng lượng tái tạo theo nguồn [1] ....................................... 7 Hình 1.3. Hệ thống năng lượng lai điển hình ....................................................................... 8 Hình 1.4. kết nối PE cho RES (a) Bộ tạo từ nguồn AC (b) Bộ tạo từ nguồn DC ............... 12 Hình 1.5. Hệ thống điện tử công suất với lưới điện, tải/nguồn, nguồn chuyển đổi và kiểm soát...................................................................................................................................... 12 Hình 1.6. Bộ chuyển đổi tăng cường Buck-Buck đầu vào kép ........................................... 15 Hình 1.7. Dạng sóng dòng điện và điện áp điển hình của bộ chuyển đổi đầu vào kép ..... 15 Hình 1.8. Bộ chuyển đổi buck đầu ra kép đầu vào đơn...................................................... 16 Hình 1.9. Cấu trúc liên kết chuyển đổi nhiều đầu vào-đầu ra ........................................... 18 Hình 1.10. Bộ chuyển đổi ba cổng ..................................................................................... 19 Hình 1.11. Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi ba cổng trong chế độ đầu ra kép .................... 19 Hình 1.12. Dạng đồ thị dòng điện và điện áp bộ chuyển đổi ba cổng trong chế độ đầu ra kép ....................................................................................................................................... 20 Hình 1.13. Sơ đồ nguyên lý bộ chuyển đổi ba cổng trong chế độ đầu vào kép.................. 21 Hình 1.14. Dạng đồ thị dòng điện và điện áp bộ chuyển đổi ba cổng trong chế độ đầu vào kép ....................................................................................................................................... 21 Hình 1.15. Bộ chuyển đổi ba cổng ở chế độ một đầu vào-đầu ra ...................................... 22 Hình 1.16. Bộ chuyển đổi DC-DC ba đầu vào ................................................................... 23 Hình 2.2. Đề xuất bộ chuyển đổi DC-DC kết hợp nhiều nguồn và hệ thống tích lũy ........ 26 Hình 3.2. Sơ đồ tại kịch bản 1 ............................................................................................ 27 Hình 2.3. Sơ đồ tại kịch bản 2 ............................................................................................ 28 Hình 2.4. Sơ đồ tại kịch bản 3 ............................................................................................ 29 Hình 2.5. Sơ đồ tại kịch bản 4 ............................................................................................ 29 Hình 2.6. Sơ đồ tại kịch bản 5 ............................................................................................ 30 Hình 2.7. Sơ đồ tại kịch bản 6 ............................................................................................ 30 Hình 2.8. Sơ đồ tại kịch bản 7 ............................................................................................ 31 Hình 2.9. Sơ đồ khối điều khiển cho bộ DC-DC nguồn hỗn hợp ....................................... 31 Hình 2.10. Bộ điều khiển MPPT trong hệ thống pin mặt trời ............................................ 34 Hình 2.11. Đặc tính làm việc của pin mặt trời và của tải có giá trị thay đổi .................... 34 Hình 2.12. Đặc tính I-V khi cường độ bức xạ thay đổi và vị trí điểm MPP ....................... 35 Hình 2.13. Sơ đồ hệ thống MPPT điều khiển theo dòng điện tham chiếu Iref ................... 36 Hình 2.14. Đường đặc tính quan hệ giữa công suất và dòng điện của pin mặt trời .......... 36 Hình 2.15. Lưu đồ thuật toán P&O điều khiển thông qua dòng tham chiếu Iref............... 37 Hình 2.16. Sơ đồ khối phương pháp MPPT điều khiển trực tiếp chu kỳ nhiệm vụ D ........ 38 Hình 2.17. Đường đặc tính P-V với thuật toán P&O ......................................................... 39 Hình 2.18. Lưu đồ thuật toán P&O điều khiển trực tiếp .................................................... 39 Bảng 3-1. Các thông số hệ thống cho các nghiên cứu mô phỏng ...................................... 41 Hình 3.1. Sơ đồ mô phỏng kịch bản 1 ................................................................................ 42 Học viên: Đặng Thanh Phú IV Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Trường Đại học Công Nghiệp Quảng Ninh Luận văn Thạc sĩ Hình 3.2. Đồ thị trong quá trình hoạt động trạng thái 1 ................................................... 43 Hình 3.3. Đồ thị trong quá trình hoạt động tại trạng thái 1: Công suất trên các cổng ..... 44 Hình 3.4. (a) Điện áp trên các khóa S1 và S5, trên tải; (b) Dòng điện qua khóa S1 và tải ............................................................................................................................................ 45 Hình 3.5. Công suất trên 2 đầu vào vả một đầu ra ............................................................ 45 Hình 3.6. (a) Sơ đồ mô phỏng kịch bản 3, (b) Công suất trên ba cổng ............................. 47 Hình 3.7. Công suất của của đầu vào và hai đầu ra .......................................................... 47 Hình 3.8. Đồ thị công suất một đầu vào hai đầu ra trong kịch bản 5................................ 48 Hình 3.9. Dạng điện áp trên tải và trên khóa S5................................................................ 48 Hình 3.10. Giá trị công suất đầu vào và ra của bộ chuyển đổi tại kịch bản 6 .................. 48 Hình 3.12. Hình ảnh thực tế và kí hiệu khóa điện tử.......................................................... 53 Hình 3.13. Đặc tính điện áp cực cửa .................................................................................. 54 Hình 3.14. Hình ảnh thực tế và kí hiệu khóa điện tử.......................................................... 54 Hình 3.19. Hình ảnh cảm biến dòng ASC712 .................................................................... 54 Hình 3.20. Hình ảnh cho hệ thống sử dụng bộ DC-DC hỗn hợp nguồn ............................ 56 Hình 3.21. Kết quả đo trên máy hiện sóng ......................................................................... 57 Hình 3.22. Kết quả đo trên máy hiện sóng kịch bản 2, ...................................................... 58 Hình 3.23. Hiệu suất của bộ thực hiện tại các kịch bản .................................................... 59 Hình PL1.1. Sơ đồ chân của bộ chuyển đổi ....................................................................... 64 Hình PL1.2. Sơ đồ mạch in bộ DC-DC hổn hợp nhiều nguồn ........................................... 65 Học viên: Đặng Thanh Phú V Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Trường Đại học Công Nghiệp Quảng Ninh Luận văn Thạc sĩ MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................. I LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................................... II DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ..................................................... III DANH MỤC CÁC HÌNH ..................................................................................................IV MỤC LỤC ............................................................................................................................ 1 1, Tính cấp thiết của đề tài: .............................................................................................. 3 2, Mục đích, nhiệm vụ của đề tài: .................................................................................... 4 3, Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: ............................................................................... 4 4, Nội dung nghiên cứu: ................................................................................................... 4 5, Phương pháp nghiên cứu: ............................................................................................. 4 6, Ý nghĩa khoa học và thực tiễn: ..................................................................................... 4 7, Cấu trúc của luận văn: .................................................................................................. 5 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG HỖN HỢP ................... 6 1.1. Giới thiệu ................................................................................................................... 6 1.2. Hệ thống năng lượng hỗn hợp độc lập................................................................... 7 1.3. Hệ thống nằng lượng hỗn hợp nối lưới .................................................................. 9 1.4. Ảnh hưởng của điện tử công suất trong các hệ thống năng lượng tái tạo ....... 10 1.4.1 Biến tần trung tâm ............................................................................................ 13 1.4.2 Bộ biến tần chuỗi .............................................................................................. 13 1.4.3 Biến tần tích hợp điều chế ............................................................................... 13 1.4.4. Đánh giá tài liệu cho bộ chuyển đổi DC-DC.................................................. 13 1.5. Kết luận chương 1 ................................................................................................... 24 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ BỘ CHUYỂN ĐỔI DC-DC TRONG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG HỖN HỢP ........................................................................................................... 25 2.1. Giới thiệu ................................................................................................................ 25 2.2. Bộ chuyển đổi DC-DC độc lập và nối lưới .......................................................... 25 2.3. Kỹ thuật điều khiển cho bộ DC-DC hỗn hợp nhiều nguồn ............................... 31 2.3.1. Phân tích điều khiển các kịch bản của bộ chuyển đổi .................................. 31 * Kịch bản 1 ............................................................................................................... 31 * Kịch bản 2 ............................................................................................................... 32 Học viên: Đặng Thanh Phú 1 Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Trường Đại học Công Nghiệp Quảng Ninh Luận văn Thạc sĩ * Kịch bản 3 ............................................................................................................... 32 * Kịch bản 4 ............................................................................................................... 32 * Kịch bản 5 ............................................................................................................... 32 * Kịch bản 6 ............................................................................................................... 32 * Kịch bản 7 ............................................................................................................... 32 2.3.2. Kỹ thuật điều khiển.......................................................................................... 33 2.3.2. Kỹ thuật điề khiển tìm điểm công suất cực đại .............................................. 33 2.4. Kết luận chương 2 ................................................................................................... 39 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM SẢN PHẨM ............. 41 3.1. Giới thiệu ................................................................................................................ 41 3.2. Kết quả mô phỏng ................................................................................................. 41 3.2.1. Kịch bản 1 ............................................................................................................ 41 3.2.2. Kịch bản 2 ........................................................................................................ 44 3.2.3. Kịch bản 3 ........................................................................................................ 46 3.2.4. Kịch bản 4 ........................................................................................................ 47 3.2.5. Kịch bản 5 ........................................................................................................ 47 3.2.6. Kịch bản 6 ........................................................................................................ 48 3.3. Thực nghiệm và phân tích .................................................................................... 48 3.3.1 Bảng quang điện .............................................................................................. 49 3.3.2 Nguồn năng lượng gió ..................................................................................... 49 3.3.3 Vi điều khiển ..................................................................................................... 49 3.3.4. Khóa điện tử..................................................................................................... 53 3.3.5. Cảm biến dòng ................................................................................................. 54 3.3.6. Bảng kiểm soát................................................................................................. 55 3.4. Kết luận chương 3.................................................................................................. 59 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................................ 61 Kết luận: ........................................................................................................................ 61 Kiến nghị: ...................................................................................................................... 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................. 62 Phụ lục 1: Sơ đồ thiết kế mạch cho bộ chuyển đổi DC-DC hỗn hợp nhiều nguồn ........ 64 Học viên: Đặng Thanh Phú 2 Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Trường Đại học Công Nghiệp Quảng Ninh Luận văn Thạc sĩ MỞ ĐẦU 1, Tính cấp thiết của đề tài: Mức tiêu thụ điện trên toàn cầu đang tăng lên từng ngày. Sử dụng điện trên toàn thế giới dự kiến sẽ tăng trung bình 0,8% từ năm 2010 đến năm 2040. Để đáp ứng nhu cầu năng lượng to lớn này, cần phải tạo ra nhiều điện hơn. Sản lượng điện dự kiến sẽ tăng 24% từ năm 2013 đến năm 2040. Các phương pháp sản xuất điện thông thường sử dụng nhiên liệu hóa thạch đã mất đi tính tiện ích do phát thải khí độc hại, cạn kiệt nhiên liệu hóa thạch và môi trường các quy định. Do đó, các nguồn năng lượng sạch, đáng tin cậy, khả thi và bền vững là rất quan trọng để phù hợp với nhu cầu công nghiệp hóa ngày càng tăng. Trong những năm gần đây, trọng tâm của sản xuất năng lượng đã chuyển sang các phương pháp thay thế sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo. Những tiến bộ công nghệ đáng chú ý đã được thực hiện trong việc phát triển những nguồn năng lượng. Đây là giải pháp cho vấn đề nhu cầu điện năng ngày càng gia tăng. Các yếu tố chính đằng sau sự chuyển hướng của các phương pháp phát điện từ thông thường sang các thế hệ thay thế là sự cạn kiệt nhanh chóng của nhiên liệu hóa thạch, kỹ thuật và môi trường các quy định, thỏa thuận quốc tế về biến đổi khí hậu và nâng cao nhận thức của người dân về hệ thống phát điện dựa trên công nghệ xanh. Việt nam được xem là một quốc gia có tiềm năng rất lớn về năng lượng mặt trời, đặc biệt ở các vùng miền trung và miền nam của đất nước, với cường độ bức xạ mặt trời trung bình khoảng 5 kWh/m2. Trong khi đó cường độ bức xạ mặt trời lại thấp hơn ở các vùng phía Bắc, ước tính khoảng 4 kWh/m2 do điều kiện thời tiết với trời nhiều mây và mưa phùn vào mùa đông và mùa xuân. Ở Việt nam, bức xạ mặt trời trung bình 150 kcal/m2 chiếm khoảng 2.000 – 5.000 giờ trên năm, với ước tính tiềm năng lý thuyết khoảng 43,9 tỷ TOE. Nhưng những nguồn này có những đặc điểm phân biệt riêng của chúng. Do bản chất rời rạc của các nguồn năng lượng tái tạo, khả năng cung cấp điện liên tục không thể được đảm bảo. Xử lý và tích hợp các nguồn điện đa dạng như vậy là không phải là một quá trình bình thường. Nó đòi hỏi mức độ hiệu quả cao trong việc khai thác điện năng, chuyển đổi và sử dụng. Những mục tiêu này chỉ có thể đạt được khi sử dụng phương tiện điện tử công suất hiệu quả cao, đáng tin cậy, an toàn và tiết kiệm chi phí. Quyền lực các thiết bị điện tử đã có những bước phát triển vượt bậc trong thời gian gần đây. Nhiều cấu trúc liên kết bộ chuyển đổi đơn và đa cổng đã được phát triển để xử lý và cung cấp năng lượng tái tạo. Nhiều cấu trúc liên kết chuyển đổi đa cổng khác nhau đã được trình bày để tích hợp RES, tuy nhiên một số hạn chế đã được xác định trong các cấu trúc liên kết này về mặt hiệu quả, độ tin cậy, số lượng và kích thước thành phần. Do đó, nghiên cứu sâu hơn là cần thiết để phát triển một hệ thống với giao diện nhiều cổng và giải quyết các vấn đề được nêu rõ. Trong nghiên cứu này, một mạch điện tử công suất nhiều cổng để tích hợp nhiều nguồn năng lượng tái tạo được phát triển. Các mạch được đề xuất đồng hóa các nguồn tái tạo để cung cấp năng lượng cho tải với các mức điện áp khác nhau trong khi duy trì hiệu suất và Học viên: Đặng Thanh Phú 3 Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Trường Đại học Công Nghiệp Quảng Ninh Luận văn Thạc sĩ độ tin cậy truyền tải điện cao với một cách đơn giản và đáng tin cậy. Để giải quyết vấn đề đặt ra ở trên, tác giả chọn đề tài: “Nghiên cứu thiết kế hệ thống hỗn hợp nhiều nguồn năng lượng tái tạo ứng dụng trong tòa nhà” để nghiên cứu. 2, Mục đích, nhiệm vụ của đề tài: - Đề xuất giải pháp nâng cao hiệu suất hệ thống hỗn hợp với các nguồn năng lượng tái tạo trong hệ thống cung cấp cho tòa nhà hoặc hộ gia đình. - Đánh giá các thông số ảnh hưởng đến hiệu suất hệ thống hỗn hợp các nguồn có tích hợp hệ thống tích lũy năng lượng .... - Nghiên cứu, đề xuất các phương pháp nâng cao tính ổn định và hiệu quả hệ thống hỗn hợp. - 3, Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: - Đối tượng: nâng cao tính ổn định và hiệu suất hệ thống hỗn hợp nguồn năng lượng tái tạo. - Phạm vi: nâng cao hiệu suất của bộ chuyển đổi hỗn hợp cho hệ thống hỗn hợp nguồn tái tạo cho tòa nhà. - 4, Nội dung nghiên cứu: - Nghiên cứu Thiết kế mạch lực, mạch điều khiển bộ biến đổi DC-DC - Nghiên cứu luật điều khiển - Xây dựng mô hình mô phỏng kết quả mạch thiết kế - Xây dựng mô hình hệ thống hỗn hợp. 5, Phương pháp nghiên cứu: - Nghiên cứu lý thuyết tổng quát về hệ thống hỗn hợp. - Nghiên cứu các giải pháp nâng cao ổn định và hiệu suất hệ thống hỗn hợp. 6, Ý nghĩa khoa học và thực tiễn: Đánh giá các kỹ thuật, thông số ảnh hưởng đến hiệu suất và tính ổn định của hệ thống hỗn hợp nguồn tái tạo, nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu suất và tính ổn định hệ thống cho tải siêu nhỏ. Đề suất các kiến nghị, giải pháp nâng cao hiệu suất và ổn định cho hệ thống hỗn hợp và có tích hợp hệ thống tích lũy cho tải siêu nhỏ. Do vậy đề tài mang tính khoa học và thực tiễn cao. Học viên: Đặng Thanh Phú 4 Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Trường Đại học Công Nghiệp Quảng Ninh Luận văn Thạc sĩ 7, Cấu trúc của luận văn: - Chương 1. Tổng quan các hệ thống năng lượng hỗn hợp. - Chương 2. Thiết kế bộ biến đổi DC-DC trong hệ thống năng lượng hỗn hợp. - Chương 3. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cửa hệ thống thiết kế. Học viên: Đặng Thanh Phú 5 Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Trường Đại học Công Nghiệp Quảng Ninh Luận văn Thạc sĩ CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG HỖN HỢP 1.1. Giới thiệu Theo báo cáo của Cơ quan Năng lượng Quốc tế (AEO 2015), tổng lượng điện sản lượng tăng từ 1065 GW lên 1261GW vào năm 2040. Tuy nhiên, điện sản lượng từ các nguồn thông thường như than giảm từ 39% năm 2013 xuống 34% trong 2040 trong khi tỷ trọng khí đốt tự nhiên trong sản xuất điện tăng từ 27% lên 31%. Trong trường hợp các nhà máy điện hạt nhân, tỷ trọng sản xuất điện giảm từ 19% đến 15%. Mặt khác, có một sự tăng trưởng đáng kể trong thị phần của năng lượng tái tạo sản xuất năng lượng từ năm 2013 đến năm 2040 như được chỉ ra trong hình 1.1 [1]. Điều cần trông đợi là đến năm 2040, gần 60% sản lượng điện là từ các nguồn tái tạo [2]. Hình 1.1. Tỷ trọng sản xuất điện bằng nhiên liệu (2000-2040) [1] Trong số các nguồn năng lượng tái tạo, thủy điện là nguồn đóng góp lớn nhất của ngành điện trong danh mục sản xuất điện tái tạo. Tuy nhiên, một sự tăng trưởng cũng được thấy trong hệ thống phát điện bằng năng lượng gió và mặt trời. Hình 1-2 phản ánh đến năm 2040, dự kiến 2/3 sản lượng điện được sản xuất bằng năng lượng tái tạo nguồn năng lượng sẽ được đóng góp bởi gió và năng lượng mặt trời. Thêm vào đó, sự đóng góp của năng lượng địa nhiệt và sinh khối cũng đang tăng với tốc độ trung bình nhanh hơn giá. Học viên: Đặng Thanh Phú 6 Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Trường Đại học Công Nghiệp Quảng Ninh Luận văn Thạc sĩ Hình 1.2. Chia sẻ về sản xuất năng lượng tái tạo theo nguồn [1] Bất chấp sự sụt giảm tỷ trọng sản xuất điện từ các nguồn thông thường và dự đoán về sự tăng trưởng đáng kể trong thị phần các nguồn tái tạo, nhưng các nguồn tái tạo không được coi là nguồn điện đáng tin cậy nhất do những nhược điểm di truyền của họ. Nhược điểm lớn của gió và mặt trời các nguồn năng lượng là sự phụ thuộc của chúng vào thời tiết khiến chúng không liên tục trong thiên nhiên. Chúng có thể xuất hiện cùng một lúc nhưng có thể biến mất hoàn toàn vào thời điểm khác. Hạn chế này có thể được loại bỏ bằng cách tích hợp các nguồn năng lượng này để phát triển hệ thống năng lượng lai [3-5]. 1.2. Hệ thống năng lượng hỗn hợp độc lập Trong những năm gần đây, những cải tiến to lớn đã được thực hiện để có các nguồn năng lượng chủ đạo. Mặc dù năng lượng tái tạo là nguồn hiệu quả và năng lượng sạch, tuy nhiên điều này có một số nhược điểm do bản chất ngẫu nhiên. Đối với ví dụ, năng lượng gió và năng lượng mặt trời, không thường xuyên có sẵn. Một số, như nhiên liệu tế bào, biểu hiện phản ứng chậm. Do đó, chúng được yêu cầu phải được tích hợp và/hoặc được kết nối với lưới điện tiện ích để tạo thành một máy phát điện đa nguồn hoặc hệ thống năng lượng lai (HES) trong đó các nguồn năng lượng này bổ sung cho nhau để cung cấp một nguồn điện đáng tin cậy [6]. Hệ thống năng lượng hỗn hợp được định nghĩa là “tập hợp các đơn vị nhỏ hợp tác, sản xuất điện hoặc điện và nhiệt, với đa dạng chất mang năng lượng sơ cấp (tái tạo và không tái tạo), và trong khi điều phối hoạt động của họ diễn ra bằng cách sử dụng các hệ thống điện tử công suất tiên tiến” [7]. Hình 1.3 cho thấy bố trí của một hệ thống năng lượng hỗn hợp điển hình sử dụng năng lượng tái tạo nguồn năng lượng. Một số kết hợp khả thi của các nguồn năng lượng phân tán để cấu thành HES đã được xác định, trong số đó, Học viên: Đặng Thanh Phú 7 Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Trường Đại học Công Nghiệp Quảng Ninh Luận văn Thạc sĩ dạng HES phổ biến nhất là hệ thống năng lượng hỗn hợp gió-mặt trời giải quyết các vấn đề liên quan đến các thế hệ năng lượng gió và mặt trời độc lập. Trong sự kết hợp này, cả hai nguồn bổ sung cho nhau để nâng cao độ tin cậy của hệ thống tổng thể. Gió có thể tạo ra suốt ngày đêm tùy thuộc vào tình trạng sẵn có và tốc độ của gió trong khi năng lượng mặt trời có thể hỗ trợ nó vào ban ngày khi mức sử dụng ở mức cao nhất. Đến nâng cao hơn nữa độ tin cậy, một thiết bị lưu trữ cũng có thể được thêm vào hệ thống để nếu nhu cầu ít hơn cung, năng lượng dư thừa có thể được lưu trữ mà sau này có thể được sử dụng trong thời gian tiêu thụ cao điểm hoặc không có RES [8]. Khác có thể kết hợp là gió-mặt trời với hệ thống thủy điện có bơm [9], gió-mặt trời với sinh học khối lượng và quang điện gió với hệ thống pin nhiên liệu [10]. Hình 1.3. Hệ thống năng lượng lai điển hình Hệ thống năng lượng hỗn hợp có thể hoạt động như một hệ thống phát điện độc lập trong các lĩnh vực không có nguồn điện hoặc việc mở rộng đường dây tải điện và xây dựng các trạm lưới bổ sung không phải là một lựa chọn khả thi [11]. HES cũng có thể được kết nối vào lưới điện tiện ích để nâng cao công suất, hiệu quả và độ tin cậy của nguồn điện hệ thống phân phối [12]. Mặc dù việc tích hợp nhiều nguồn khắc phục được việc cung cấp điện không thường xuyên từ RES nhưng có một số thách thức bổ sung liên quan đến giao diện đa nguồn này. Ví dụ, trong một hệ thống năng lượng hỗn hợp độc lập, do khả năng ngắt điện từ các nguồn gió và mặt trời và các điều kiện tải thay đổi, tính ổn định tổng thể của hệ thống, độ tin cậy và tính liên tục của sự kết hợp này để cung cấp năng lượng cho các tải vẫn còn tương đối Học viên: Đặng Thanh Phú 8 Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Trường Đại học Công Nghiệp Quảng Ninh Luận văn Thạc sĩ thấp. Do đó, một bộ phận lưu trữ năng lượng cần được kết nối để bù đắp hoặc hấp thụ sự chênh lệch giữa công suất tạo ra và công suất cần thiết [13]. Liên quan đến hệ thống nối lưới, việc tích hợp RES với lưới điện tiện ích thậm chí còn có nhiều hậu quả hơn. Giao diện năng lượng tái tạo có thể gây ra các vấn đề về chất lượng điện do sự thay đổi điện áp cung cấp. Nếu RES được kết nối với bộ nạp với tải ít hơn, có khả năng xảy ra dòng điện ngược. Tương tự như vậy, sự thay đổi nhanh chóng của dòng điện tải gây ra sự thay đổi trong dòng điện của bộ nạp, gây ra các tác động bất lợi như sụt giảm và nhấp nháy điện áp hệ thống. Một vấn đề khác là dòng sóng hài có thể gây ra biến dạng ở dạng sóng điện áp có thể truyền tới lưới điện phân phối [14]. Các lưới tiện ích thông thường thường bao hàm sơ đồ bảo vệ phụ thuộc vào nguồn cung cấp duy nhất. Khi nhiều nguồn, chúng cũng góp phần tạo ra dòng lỗi. Khó phát hiện và có thể tạo ra các vấn đề về bảo vệ. Việc phát hiện và cài đặt các thiết bị bảo vệ được thực hiện theo giá trị của dòng sự cố của hệ thống. Việc bổ sung RES có thể làm tăng giá trị này do đó khả năng ngắt của các thiết bị bảo vệ phải được lựa chọn rất cẩn thận [15]. Các đường dây tải điện trên không thường được trang bị hệ thống tự động lại gần hơn. Vì sự cố tạm thời trên đường dây trên không không tồn tại trong thời gian dài hơn, do đó đường dây không được ngắt vĩnh viễn mà nó được ngắt trong thời gian ngắn hơn và được cấp điện trở lại sau khi khắc phục sự cố. Tự động lại gần thực hiện một số lần thử và nếu sự cố vẫn tiếp diễn thì đường dây hoàn toàn không được cung cấp năng lượng. Nếu RES được kết nối với hệ thống, đường dây vẫn được cấp điện vĩnh viễn và do đó lỗi tạm thời được coi là lỗi vĩnh viễn, đây là một trường hợp không mong muốn [16]. Nguồn RE kết nối với lưới điện được yêu cầu ngắt trong trường hợp có bất kỳ điều kiện điện áp bất thường nào. Các bộ cấp nguồn gần kề với bộ nối RES được kết nối có thể tạo ra tình huống điện áp bất thường tương tự. Trong những điều kiện như vậy, sơ đồ bảo vệ nguồn RES khó có thể phân biệt giữa sự cố quá / dưới điện áp thực tế và tác động của các bộ cấp khác, do đó nó bị tắt một cách không cần thiết [17]. Trong bất kỳ điều kiện sự cố nào, nguồn năng lượng tái tạo và lưới điện tiện ích đều đóng góp vào dòng điện sự cố do đó dòng điện sự cố tăng lên. Dòng điện sự cố tổng hợp có thể tăng lên nhưng đóng góp từ nguồn năng lượng tái tạo có thể nhiều hơn đóng góp từ lưới điện, do đó các thiết bị bảo vệ tại lưới điện không thể nhận ra lỗi và lỗi vẫn không được chú ý có thể dẫn đến sự cố và hư hỏng hệ thống [18]. 1.3. Hệ thống nằng lượng hỗn hợp nối lưới Nguồn điện từ hệ thống điện mặt trời, gió hay sinh khối sẽ được đấu nối hòa cùng với điện lưới, thiết bị sẽ sử dụng song song các nguồn năng lượng tái tạo và điện lưới. Qua bộ biến tần (inverter), các nguồn điện hỗn hợp sẽ được thiết lập ưu tiên cung cấp cho tải tiêu thụ trước, nếu còn dư điện, phần dư năng lượng này sẽ được đẩy ngược lên điện lưới. Trường hợp, cường độ ánh sáng mặt trời thấp, điện gió vẫn ổn đinh lượng điện sinh ra của nguồn PV ít, thêm cả nguồn gió không đủ cung cấp cho các thiết bị đang sử dụng thì Học viên: Đặng Thanh Phú 9 Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Trường Đại học Công Nghiệp Quảng Ninh Luận văn Thạc sĩ điện lưới sẽ tự động bổ sung lượng điện còn thiếu. Luôn đảm bảo các thiết bị tải hoạt động bình thường, không bị thiếu điện. Khi trời tối, không có ánh sáng mặt trời, hệ thống điện mặt trời sẽ không sản sinh ra điện. Lúc này, thiết bị tải sử dụng điện lưới bình thường cùng với các nguồn năng lượng tái tạo khác vẫn sản sinh ra năng lượng điện và nguồn lưu trữ song song. Vì hệ thống điện mặt trời và điện lưới kết nối tự động với nhau nên để đảm bảo an toàn lưới điện, trong trường hợp mất điện lưới, hệ điện mặt trời cũng tự động ngắt để không truyền điện lên lưới. Do đó, lúc này bạn sẽ không có điện sử dụng. * Ưu điểm: Chi phí đầu tư ban đầu thấp hơn so với 2 loại còn lại; Hệ thống đơn giản hơn so với 2 loại còn lại; Có thể bán điện dư thừa cho điện lực và ổn định hệ thống điện tốt hơn; Vận hành hoàn toàn tự động, ít hỏng hóc; Giảm tải cho điện lưới quốc gia. *Nhược điểm: Khó lắp đặt đối với những nơi lưới điện đủ hoặc dư thừa năng lượng. 1.4. Ảnh hưởng của điện tử công suất trong các hệ thống năng lượng tái tạo Hệ thống chuyển đổi năng lượng bằng điện tử công suất: Bất kể tất cả những ưu điểm mà RES có thể có, việc thâm nhập và tích hợp của chúng vào mạng điện không phải là một quá trình tầm thường, đúng hơn nó là một nhiệm vụ rất khó khăn. Số lượng ngày càng tăng của các nguồn phát điện này sẽ đòi hỏi các phương pháp và chiến lược mới để duy trì sự điều tiết năng lượng điện trong hệ thống năng lượng hỗn hợp. Để tăng tính hữu dụng của RES và giảm các tác động tiêu cực tiềm ẩn của chúng, như đã nêu ở trên, giao diện điện tử công suất (PE) có thể được sử dụng để tích hợp RES với mạng điện hiện có. Do các khả năng độc đáo của giao diện PE, nó đang trở nên phổ biến hơn trong việc sử dụng với tất cả các loại RES. Chất lượng và độ tin cậy của nguồn điện phụ thuộc vào hiệu quả, độ tin cậy và tính bền vững của các thiết bị PE. Phần kết nối từ PE có thể giải quyết việc chuyển đổi và điều khiển công suất điện với sự trợ giúp của bộ chuyển đổi chế độ chuyển đổi công suất. Với sự ra đời của các thiết bị điện tử công suất đáng tin cậy và chi phí thấp, hầu hết các vấn đề gây ra do sự xâm nhập của các nguồn năng lượng tái tạo có thể được giảm thiểu hoặc loại bỏ. Một số ưu điểm của thiết bị PE được nhấn mạnh như: Các vấn đề như chất lượng điện của hệ thống năng lượng hỗn hợp do tích hợp với hệ thống phân phối hiện có, có thể được cải thiện thông qua giao diện PE hiệu quả. Vì nó không chỉ kiểm soát nội dung sóng hài của dòng điện và điện áp mà còn cung cấp khả năng vận hành nhanh chóng và giảm thiểu yêu cầu công suất phản kháng của lưới điện. Giao diện RES thông qua PE cho phép điều khiển điện áp và công suất phản kháng tại nguồn phát do các bộ biến tần của HES tự chuyển mạch và có thể tạo ra điện áp AC, điều này cho phép HES tạo ra công suất ở bất kỳ hệ số công suất nào cung cấp hỗ trợ công suất phản kháng lưới. Việc bổ sung RES vào các mạng lưới tiện ích không có một số tác động tiêu cực đến bảo vệ hệ thống yêu cầu sửa đổi trong việc lựa chọn và thiết lập các thiết bị bảo vệ. Các thiết bị điện tử công suất đã giải quyết vấn đề này bằng cách cho phép các thiết bị phản hồi nhanh chóng với các lỗi do nguồn tái tạo và ngay lập tức sửa chữa chúng trước khi có bất kỳ tác động nào đến lưới hiện có hệ thống bảo vệ. Học viên: Đặng Thanh Phú 10 Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Trường Đại học Công Nghiệp Quảng Ninh Luận văn Thạc sĩ Các phát minh về điện tử công suất đã được chứng minh là rất hiệu quả trong việc giao tiếp nhiều nguồn năng lượng. Việc sử dụng đường dây DC chung cho phép tích hợp một số nguồn năng lượng tái tạo và thiết bị lưu trữ giúp nâng cao hệ thống độ tin cậy. Một tính chất quan trọng của hệ thống năng lượng lai là sự hình thành của lưới vi mô. Trong quá trình hình thành lưới vi mô, HES phải có khả năng chuyển đổi nhanh chóng giữa độc lập với chế độ kết nối lưới. Để làm được điều này, cực kỳ nhanh chóng chuyển đổi sẽ được yêu cầu mà chỉ có thể thực hiện được thông qua điện tử công suất các thiết bị. Các bộ chuyển đổi điện tử công suất khác nhau đã được phát triển để tích hợp nguồn năng lượng và kiểm soát công suất từ nguồn đến tải. Những bộ chuyển đổi này thực hiện các chức năng sau đây trong hệ thống năng lượng lai. - Chuyển đổi công suất từ điện áp đầu vào thay đổi thành điện áp đầu ra được điều chỉnh. - Để đảm bảo công suất đầu ra chất lượng cao với độ lệch tần số và điện áp thấp. - Thực hiện cách ly điện giữa nguồn và tải. - Theo dõi Công suất tối đa trong hệ thống năng lượng gió và mặt trời. - Điều hòa công suất và điều khiển dòng điện từ nguồn đến tải. - Chuyển đổi công suất thành điện áp và tần số yêu cầu. Nhiều bộ chuyển đổi điện tử công suất đã được trình bày cho giao diện năng lượng tái tạo trong hệ thống điện lai. Các bộ chuyển đổi này có thể thực hiện chuyển đổi AC sang DC, DC sang DC và DC sang AC và có thể được phân loại thành nhiều nhóm như bộ chuyển đổi một tầng như AC-AC, AC-DC, DC-DC, DC-AC hoặc bộ chuyển đổi nhiều tầng như AC-DC-AC. Ứng dụng của bộ chuyển đổi điện tử công suất phụ thuộc vào nguồn năng lượng tái tạo và yêu cầu của phụ tải. Đối với một hệ thống tạo năng lượng gió chẳng hạn, có thể yêu cầu chuyển đổi AC-AC một giai đoạn hoặc chuyển đổi AC-DC hoặc chuyển đổi AC-DC-AC nhiều giai đoạn. Tương tự, hệ thống năng lượng mặt trời có thể sử dụng chuyển đổi DC-DC hoặc chuyển đổi DC-AC tùy thuộc vào tải được kết nối. Giao diện điện tử công suất trong loại nguồn năng lượng tái tạo DC và AC được thể hiện trong hình 1.4. Công việc nghiên cứu này chủ yếu liên quan đến chuyển đổi DC-DC. Học viên: Đặng Thanh Phú 11 Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Trường Đại học Công Nghiệp Quảng Ninh Luận văn Thạc sĩ Hình 1.4. kết nối PE cho RES (a) Bộ tạo từ nguồn AC (b) Bộ tạo từ nguồn DC Khoảng 40% nhu cầu năng lượng của thế giới hiện đang được đáp ứng bằng năng lượng điện và tỷ lệ đó dự kiến sẽ tăng lên khi các quốc gia cắt giảm lượng khí thải cacbon và thay đổi bằng các nguồn năng lượng tái tạo [10]. Tất cả các hệ thống và sản phẩm liên quan đến chuyển đổi và kiểm soát dòng năng lượng điện đều liên quan đến năng lượng điện tử trong hình 1.5. Hình 1.5. Hệ thống điện tử công suất với lưới điện, tải/nguồn, nguồn chuyển đổi và kiểm soát Trong trường hợp hệ thống năng lượng tái tạo, cần phải có một bộ các thành phần điện tử công suất khác nhau để chuyển đổi năng lượng từ một giai đoạn thành một giai đoạn Học viên: Đặng Thanh Phú 12 Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.09: Bộ Luận Văn Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Quản Trị Kinh Doanh

81 tài liệu

1641 lượt tải

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.