Kết hợp năng lượng gió và mặt trời trong lưới điện MICROGRID

MBA: Máy biến áp IG: Induction generator Máy phát điện không đồng b SG: Synchronous generator Máy phát điện đồng bô HAWT: Horizontal Axis Wind Turbine Turbine gió tr c ngang VAWT: Verti

Quyết định giao đề tài

Lý lịch cá nhân i

L i cam đoan ii

L i c m ơn iii

Tóm tắt iv

M c l c v

Danh sách ch viết tắt x

Danh sách các hình xi

Danh sách các b ng xiv

CH NGă1:ăGI IăTHI U 1.1ăăĐ tăvấnăđ 1

1.2ăăM cătiêuăvƠănhi măv 2

1.3ăăPh măviănghiênăc u 3

1.4ăăPh ngăphápănghiênăc u 4

1.5ăăĐi măm iăc aălu năvĕn 4

1.6ăăGiáătr ăthựcăti năc aălu năvĕn 5

1.7ăăN iădungăc aălu năvĕn 5

CH NGă2:ăT NGăQUAN 2.1ăNĕngăl ngăgióăVi tăNamăvƠăti mănĕngăphátătri n 6

2.1.1 Năng lư ng gió Việt Nam 6

2.1.2 Tiềm năng phát tri n năng lư ng gió công suất nhỏ t i Việt Nam 9

2.2ăT ng quanăv ăh ăth ngăchuy năđ iănĕngăl ngăgió 10

2.2.1 Các thành phần c a hệ thống chuy n đ i năng lư ng gió 10

2.2.2 Các lo i hệ thống chuy n đ i năng lư ng gió 11

2.2.2.1 Hệ thống turbine gió tốc đ cố định 12

2.3ăT ngăquanăv ăcácăki uăturbine gió 14

2.4ăT ngăquanăv ăpinănĕngăl ngăm tătr i 15

2.4.1 Thực tế t i Việt Nam 15

2.4.1.1 Tiềm năng phát tri n năng lư ng mặt tr i t i Việt Nam 16

2.4.1.2 ng d ng năng lư ng mặt tr i t i Việt Nam hiện nay 16

2.4.2 Phân lo i pin mặt tr i 18

2.5ăT ngăquanăv ăk tăn iătur ineăgióăvƠăm tătr iătrongă l iăđi năMicrogrid 19

2.6ăHòaăđ ngă ăhaiămáyăphát 20

2.6.1 Hòa đồng b hai nguồn áp 21

2.6.2 Phân tích các điều kiện hòa 23

2.6.2.1 Điều kiện về điện áp 23

2.6.2.2 Điều kiện tần số 23

2.6.2.3 Điều kiện về th tự pha 25

2.6.2.4 Điều kiện về góc lệch pha 25

2.6.3 Hòa đồng b m t nguồn dòng vào m t nguồn áp 26

CH NGă3:ăKH OăSÁTăVÀăTệNHăTOÁN 3.1ăNĕngăl ngăgióăvƠăcôngăsuấtăturbine 28

3.1.1 Năng lư ng gió 28

3.1.2 Hiệu suất turbine gió 31

3.1.3 Đư ng cong hiệu suất turbine gió 34

3.1.4 Máy phát điện đồng b nam châm vĩnh c u (PMSG) 37

3.2ăPinănĕngăl ngăm tătr iăvƠăph ngătrìnhătoánăc aăpinănĕngăl ng m tătr i 40

3.2.1 Phương trình tương đương c a pin năng lư ng mặt tr i 40

3.2.2 Các yếu tố nh hư ng đến pin năng lư ng mặt tr i 41

3.4ăM chăngh chăl uăk tăn iăl iăđi năphơnăph i 46

3.4.1 Phân lo i b nghịch lưu 46

3.4.2 Phương pháp điều khi n các khóa công suất trong b nghịch lưu nguồn áp 46

3.4.3 Phương pháp điều khi n khóa công suất trong b nghịch lưu nguồn dòng 50

3.5.ăPinăl uătr ănĕngăl ngă( atterry) 53

3.5.1 Nguyên lý ho t đ ng c a pin axit chì 54

3.5.2 Quá trình n p và x c a pin axit chì và phương trình tính toán 56

CH NGă4:ăMỌăHỊNHăHịAă ăMỌăPH NG 4.1ăS ăđ ăk tăn iămáyăphátăđi năgióăvƠă ăpinănĕngăl ngăm tătr iăvƠoă l iăđi năphơnăph i 58

4.1.1 Khối turbine gió và máy phát điện 58

4.1.2 Khối chỉnh lưu 61

4.1.3 Khối b pin năng lư ng mặt tr i 62

4.1.4 Khối nghịch lưu 63

4.1.5 Khối lưới điện phân phối 63

4.1.6 Khối điều khi n pin NLMT 64

4.1.6.1 Nguyên lý ho t đ ng c a khối MPPT 65

4.1.7 Khối điều khi n máy phát điện gió 70

4.1.7.1 Nguyên lý ho t đ ng khối MPPT c a turbine gió 71

4.1.6 Khối điều khi n lưu tr năng lương (battery) 74

4.2ăCácăkh iăch cănĕng 75

4.2.1 Khối PI_V 75

4.2.2 Khối PLL 75

4.2.3 Khối DC/AC 76

5.1ăTr ngăh păănghiênăc uăvƠăcácăk tăqu 77

5.1.1 Trư ng h p nghiên c u 77

5.1.2 Kết qu mô phỏng nguồn DG nối lưới trong trư ng h p nghiên c u đã x t đến 79

5.1.2.1 Kết qu mô phỏng nguồn DG – năng lư ng mặt tr i nối lưới 81

5.2ăNh năxétăvƠăđánhăgiá 86

5.3ăCácăvấnăđ ăđ căthựcăhi nătrongălu năvĕn 87

5.4ăĐ ăngh ăvƠăcácăh ngăphátătri năc aălu năvĕn 88

TÀIăLI UăTHAMăKH O 90

MBA: Máy biến áp

IG: Induction generator (Máy phát điện không đồng b )

SG: Synchronous generator (Máy phát điện đồng bô)

HAWT: Horizontal Axis Wind Turbine (Turbine gió tr c ngang)

VAWT: Vertical Axis Wind Turbine (Turbine gió tr c đ ng)

PMSG: Permanent Magnet Synchronous Generator (Máy phát điện đồng b

nam châm vĩnh c u)

IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor

SPWM: Sinusoidal Pulse Width Modulation (Điều chế đ r ng xung)

MPPT: Maximum Power Point Tracking (Tìm đi m công suất cực đ i) P&O: Perturb and observate (Phương pháp nh y và so sánh)

PLL: Phase locked loops (Phương pháp sát định góc pha)

PV: Photovoltaic (Pin mặt tr i)

PI: Proportional Integral (Điều khi n PI)

Ch ngă2:

Hình 2.1: Gió trung bình hàng năm đ cao 65m và 30m 7

Hình 2.2: Hệ thống chuy n đ i năng lư ng gió kết nối lưới điện 10

Hình 2.3: Hệ thống turbine gió tốc đ cố định 12

Hình 2.4: Hệ thống turbine gió tốc đ thay đ i 13

Hình 2.5: Hệ thống turbine gió thay đ i tốc đ với b biến đ i phía roto 14

Hình 2.6: Cấu t o turbine gió tr c đ ng và tr c ngang 15

Hình 2.7: Các lo i pin mặt tr i thư ng gặp 18

Hình 2.8: Sơ đồ hai máy phát hòa đồng b 22

Hình 2.9: Sơ đồ bi u thị vector khi hòa đồng b 23

Hình 2.10: Sơ đồ vector khi điện áp không thỏa mãn 23

Hình 2.11: Sơ đồ hệ thống ba pha vector quay 25

Hình 2.12: Sơ đồ kết nối nguồn dòng và nguồn áp khi hòa đồng b 26

Hình 2.13 Bi u di n vector quay c a dòng điện và điện áp 26

Ch ngă3: Hình 3.1: Năng lư ng c a khối không khí có mặt cắt ngang A 28

Hình 3.2: Bi u di n luồng khí th i qua m t turbine gió lý tư ng 30

Hình 3.3: Góc pitch c a cánh qu t gió 31

Hình 3.4: Giới h n c a hiệu suất rotor 33

Hình 3.5: Đư ng cong hiệu suất rotor 34

Hình 3.6: Công suất đầu ra ph thu c vào vận tốc gió , tốc đ turbine 35

Hình 3.7: Đư ng cong công suất lý tư ng c a turbine gió 36

Hình 3.8 Mô hình m ch điện tương đương trong hệ tọa đ dq c a PMSG 39

Hình 3.9: M ch điện tương đương c a pin mặt tr i 40

Hình 3.10: Mô hình pin mặt tr i lý tư ng 41

Hình 3.11: Mô đun pin mặt tr i 42

Hình 3.14: M ch chỉnh lưu bán kì 44

Hình 3.15: M ch chỉnh lưu cầu 1 pha không điều khi n 45

Hình 3.16: M ch chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khi n 45

Hình 3.17: M ch chỉnh lưu cầu 1 pha có điều khi n 45

Hình 3.18: M ch chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khi n 45

Hình 3.19: Gi n đồ xung kích b nghich lưu 1 pha SPWM 48

Hình 3.20: Gi n đồ dòng và áp ngõ ra nghich lưu SPWM 49

Hình 3.21: Sơ đồ kết nối đơn gi n c a b nghịch lưu 3 pha 50

Hình 3.22: D ng sóng dòng điện trong phương 51

Hình 2.23: Gi i thuật điều khi n bang bang 51

Hình 3.24: Gi i thuật điều khi n bang bang c i tiến 51

Hình 2.25: Cấu hình c a pin axit chì đã n p đầy 55

Hình 2.26: m ch tương đương c a pin 55

Hình 3.27Chu trình n p c a pin axit chì trong chu kỳ x c sâu 57

Ch ngă4: Hình 4.1 Sơ đồ kết nối 57

Hình 4 2 Sơ đồ t ng quát m ch mô phỏng 58

Hình 4.3: Sơ đồ kết nối máy phát điện gió với lưới điện thông qua b AC-DC/DC-AC 58

Hình 4 4 Sơ đồ kết nối c a khối turbine và máy phát điện 59

Hình 4 5 Sơ đồ kết nối trong mô phỏng khối turbine gió 60

Hình 4 6 Sơ đồ kết nối mô phỏng c a khối máy phát điện nam châm vĩnh c u 60

Hình 4 7 Mô hình mô phỏng c a khối cơ khí trong PMSG 60

Hình 4 8 Mô hình mô phỏng c a khối điện trong PMSG 61

Hình 4 9 Thông số kỹ thuật c a PMSG 61

Hình 4 10 Sơ đồ kết nối m ch chỉnh lưu 62

Hình 4 13 Sơ đồ kết nối c a khối lưới điện phân phối 63

Hình 4 14 Sơ đồ nguyên lý ho t đ ng c a m ch điện mô phỏng 65

Hình 4 15 Sơ đồ kết nối c a khối điều khi n pin năng lư ng mặt tr i 65

Hình 4 16 Lưu đồ gi i thuật P&O 66

Hình 4 17 Đặc tuyến V-P c a pin mặt tr i khi NLBXMT không đ i 67

Hình 4 18 Nguyên tắc ho t đ ng c a b MPPT 69

Hình 4 19 Sơ đồ nguyên lý ho t đ ng c a m ch điện mô phỏng 70

Hình 4 20 Sơ đồ kết nối c a khối điều khi n trong m ch mô phỏng 71

Hình 4 21 Nguyên tắc ho t đ ng c a máy phát điện gió 71

Hình 4 22 Nguyên tắc ho t đ ng c a gi i thuật P&O 72

Hình 4 23 Lưu đồ gi i thuật P&O 73

Hình 4.24Sơ đồ nguyên lý b điều khi n battery 74

Hình 4.25 M ch mô phỏng sơ đồ kết nối khối battery trong simulink 74

Hình 4 26 Sơ đồ kết nối c a khối PI_V 75

Hình 4.26 Sơ đồ nguyên lí c a khối PLL 75

Ch ngă5 Hình 5.1: Lưu đồ quá trình mô phỏng đư c đề xuất 78

Hình 5.2: Các tín hiệu từ b điều khi n trung tâm truyền đến các CB 79

Hình 5.3 Công suất tác d ng và ph n kháng ngõ ra c a máy phát điện gió 80

Hình 5.4: Điện áp DC trước nghịch lưu c a máy phát điện gió 81

Hình 5.5: Công suất b pin năng lư ng mặt tr i hòa lưới 82

Hình 5.6: Giá trị điện áp và dòng điện DC ngõ ra b pin NLMT 83

Hình 5.7: Giá trị công suất n p x c a battery 84

Hình 5.8 D ng sóng điện áp ngõ ra t i đi m kết nối chung

giá trị: a) biên đ đỉnh; b) rms 85

Hình 5.9: D ng sóng điện áp ngõ ra từ t = 1.4s đến t = 2s 85

B ng 2.1 Phân bố năng lư ng mặt tr i t i các vùng trên

lãnh th Việt Nam 16

B ng 5-1 B ng kết qu mô phỏng năng lư ng gió hòa lưới hòa lưới 81

B ng 5.2: B ng kết qu mô phỏng hệ thống năng lư ng mặt

tr i hòa lưới 82

CH NGă1:ăGI I THI U

1.1ăăĐ t vấnăđ

Nguồn năng lư ng mà chúng ta s d ng ngày nay ch yếu là năng lư ng hóa

th ch như: than đá, dầu mỏ, các s n phẩm từ dầu mỏ, khí thiên nhiên… Các nguồn năng lư ng này là h u h n, nó chỉ có th đ m b o cho nhu cầu về năng lư ng c a chúng ta trong m t th i gian nhất định Do đó, càng ngày ngư i ta càng lo ng i về

m t cu c kh ng ho ng năng lư ng có th x y ra làm thay đ i nền văn minh c a loài ngư i, b i vì thế giới vẫn còn đang ph thu c vào nguồn nhiên liệu hóa th ch Dầu, than đá và khí đốt chiếm kho ng 75% nhu cầu năng lư ng thế giới, m i ngày trên

thế giới s d ng đến 80 triệu thùng dầu Và đương nhiên trong tương lai nhu cầu toàn cầu về dầu hỏa sẽ vư t xa kh năng cung cấp Từ năm 1985, tốc đ khai thác dầu và tiêu th đã vư t xa tốc đ khám phá tr lư ng dầu mới Công ty BP dự đoán

rằng với tốc đ s d ng như hiện nay, thì chỉ trong vòng 40 năm n a sẽ c n kiệt nguồn dầu ho Mặt khác, s d ng nguồn năng lư ng hóa th ch đ l i nhiều hậu qu

về ô nhi m môi trư ng, gây ra hiệu ng nhà kính, góp phần làm gia tăng nhiệt đ trái đất…

Đ gi i quyết các vấn đề này, m t mặt chúng ta ph i khai thác và s d ng các nguồn năng lư ng hóa th ch này m t cách h p lý, mặt khác chúng ta ph i tìm ra các nguồn năng lư ng khác đ thay thế Thế giới đang tìm kiếm các nguồn năng lư ng tái sinh có th cung cấp năng lư ng m t cách bền v ng trong tương lai, nguồn năng

lư ng ấy có th k đến như: năng lư ng gió, năng lư ng sinh khối, năng lư ng mặt

tr i… hoặc là nguồn năng lư ng tái sinh khác Trong đó công nghệ về năng lư ng mặt tr i đang đư c thế giới chú trọng phát tri n đ khai thác Các chính ph đã đón

nhận các công nghệ này m t cách hết s c nghiêm túc và đưa ra các m c tiêu đầy tham vọng cho s n lư ng điện t o ra từ các nguồn năng lư ng tái sinh trên Ngư i dân ngày càng ý th c về sự tàn phá và ô nhi m môi trư ng từ các nguồn nhiên liệu hoá th ch và năng lư ng h t nhân Trong khi các nguồn năng lư ng tái sinh có th khai thác tự do và không bao gi c n kiệt Năng lư ng mặt tr i và năng lư ng gió là

m t nguồn năng lư ng s ch có th thay thế các nguồn năng lư ng truyền thống Các

ng d ng c a nó t i các nước phát tri n giúp làm gi m hiệu ng nhà kính và gi gìn

đư c các nguồn năng truyền thống đang c n kiệt Các quốc gia đã và đang phát tri n đều xem năng lư ng mặt tr i và năng lư ng gió là nguồn năng lư ng lý tư ng phù h p với xu hướng phát tri n mới c a nhân lo i, đư c ưu tiên đầu tư hàng đầu trong các chính sách về năng lư ng Khi s d ng năng lư ng tái t o có nh ng thuận

l i như sau :

- Gi m hay thay thế việc xây dựng các nhà máy điện truyền thống dùng năng

lư ng hóa th ch

- Làm gi m công suât truyền t i và tăng phát điện t i nơi tiêu th

- Không gây ô nhi m môi trư ng khi vận hành s n xuất điện năng

- Là nguồn năng lư ng không bao gi c n kiệt

- D dàng tăng thêm công suất khi cần thiết

- Việc lắp đặt và xây dựng các tấm pin năng lư ng mặt tr i, các turbin gió là tương đối nhanh

- Mặc dù năng lư ng mặt tr i và gió hiện nay có giá đắt hơn nhiều so với nguồn năng lư ng truyền thống, nhưng nó không bị nh hư ng b i giá nguyên liệu

và sự gián đo n cung cấp

- các nước phát tri n nhà nước h tr về thuế và các ưu đãi khác

- T o ra nhiều công ăn việc làm hơn so với các nhà máy năng lư ng khác, khi cùng s n xuất ra m t đơn vị năng lư ng Số ngư i làm việc cho các trung tâm năng lư ng gió trên khắp thế giới kho ng 100000 công nhân M t Megawatt điện gió cần từ 2.5 – 3.0 nhân công làm việc

- Công nghệ năng lư ng mặt tr i và gió có th thay đ i cho nhiều ng d ng có công suất từ nhỏ đến lớn Th i gian từ khi kh o sát đến lắp đặt và vận hành ngắn và có nh ng thuận l i khác mà các nhà máy điện ki u truyền thống không làm đư c

Hiện nay năng lư ng mặt tr i Việt Nam với l i thế là m t nước nhiệt đới có nắng quang năm nên rất có tiềm năng phát tri n năng lư ng mặt tr i Trong khi đó, năng lư ng gió Việt Nam với l i thế b bi n tr i dài 3260 km và gần 3000 hòn

đ o lớn nhỏ rất có tiềm năng Tuy nhiên, việc khai thác năng lư ng mặt tr i và gió nước ta còn nhiều h n chế, m t phần là do nhà nước chưa có chính sách h tr

thích h p và cũng do giá thành các thiết bị chuy n đ i năng lư ng tái t o (mặt tr i, gió) thành điện còn khá cao Do vậy hiện nay nước ta chỉ có th phát tri n các máy điện năng lư ng mặt tr i, gió có công suất vừa và nhỏ đ cung cấp cho các vùng lưới điện không th vươn đến hoặc chất lư ng điện không đ m b o khi đi qua

m t kho ng cách địa lí không hoàn thiện như các vùng nông thôn, biên giới, h i

đ o, cũng như là nh ng vùng có tốc đ gió trung bình thay đ i nhiều

Ngoài ra, khi kinh tế bắt đầu phát tri n, việc phát tri n năng lư ng s ch và bền

v ng ngày càng đư c chú trọng phát tri n Theo xu hướng thiết kế môi trư ng xanh, các tòa nhà đã đư c thiết kế theo hướng s d ng ít hơn năng lư ng từ lưới điện phân phối và dùng các tấm pin mặt tr i đ t o ra nguồn điện xanh đ cung cấp

m t phần nhu cầu cho công trình Điều này thúc đẩy việc nghiên c u chế t o các b chuy n đ i năng lư ng mặt tr i công suất vừa và nhỏ có kh năng kết nối lưới điện

đ thu đư c công suất lớn nhất từ năng lư ng mặt tr i

1.2 M c tiêu và nhi m v

- Tìm hi u về máy phát điện gió công suất nhỏ

- Tìm hi u về các b pin năng lư ng mặt tr i

- Tìm hi u về pin lưu tr năng lư ng nối lưới

- Phân tích các nh hư ng c a việc hòa hai nguồn điện

- Xây dựng phương trình và gi i thuật đ tính toán b chuy n đ i năng lư ng

- Xây dựng khối pin lưu tr năng lư ng (battery) nối lưới và b điều khi n đ

n định điện áp hai đầu cực nút t i khi cắt microgrid ra khỏi lưới điện

- Dùng phần mềm Matlab 7.12 mô phỏng khi hòa năng lư ng gió vào lưới điện phân phối

1.3 Ph m vi nghiên c u

- Nghiên c u khái quát về năng lư ng mặt tr i và năng lư ng gió

- Nghiên c u về các b pin năng lư ng mặt tr i công suất nhỏ

- Nghiên c u về máy phát điện gió công suất nhỏ

- Nghiên c u về mối quan hệ c a các thông số trong b pin năng lư ng mặt tr i công suất nhỏ

- Nghiên c u về mối quan hệ c a các thông số trong máy phát điện gió công suất nhỏ

- Nghiên c u về mối quan hệ truyền đ ng trong máy phát điện gió công suất nhỏ

- Nghiên c u b nghịch lưu công suất nhỏ m t pha khi hòa vào lưới điện

- Nghiên c u phương pháp tính toán b chuy n đ i nguồn DC-AC

- Nghiên c u tính toán các thông số khi hòa nguồn năng lư ng tái t o vào lưới điện phân phối m t pha

- Nghiên c u mô hình pin nối lưới đ đ m b o n định điện áp nút kết nối

- Đưa ra mô hình mô phỏng khi hòa nguồn năng lư ng tái t o vào lưới điện

1.4ăăPh ngăphápănghiênăc u

- Thu thập tài liệu liên quan đến các vấn đề nghiên c u

- Nghiên c u t ng quan về năng lư ng mặt tr i và năng lư ng gió

- Nghiên c u các thông số nh hư ng đến ho t đ ng c a pin mặt tr i, máy phát điện gió

- Nghiên c u và xây dựng mô hình toán học về mối quan hệ gi a các thông số làm nh hư ng đến hiệu suất c a b pin năng lư ng mặt tr i công suất nhỏ

- Nghiên c u và xây dựng mô hình toán học về mối quan hệ gi a các thông số làm nh hư ng đến hiệu suất c a máy phát điện gió công suất nhỏ

- Nghiên c u các mô hình hòa đồng b gi a nguồn năng lư ng mặt tr i, nguồn năng lư ng gió và lưới điện nh hư ng c a các thông số khi hòa Đề nghị mô hình tính toán c th

- S d ng matlab xây dựng mô hình mô phỏng việc hòa đồng b b năng lư ng tái t o vào lưới điện phân phối, từ đó thiết kế và thi công mô hình thực tế

- Phân tích các kết qu nhận đư c và các kiến nghị

- Đánh giá t ng quát toàn b b n luận văn Đề nghị hướng phát tri n c a đề tài

1.5ăăĐi m m i c a lu năvĕn

- Xây dựng hoàn chỉnh mô hình kết nối b năng lư ng mặt tr i và máy phát điện gió có công suất nhỏ trong lưới Microgrid hòa đồng b lưới điện quốc gia

- Tìm ra các thông số nh hư ng đến việc hòa đồng b gi a các nguồn năng

lư ng tái t o và lưới điện quốc gia

- Đưa ra gi i thuật và chương trình mới đ tính toán b chuy n đ i nguồn năng

lư ng tái t o hòa vào lưới điện quốc gia

- Góp phần tiết kiệm năng lư ng c a các h tiêu th điện cũng như cung cấp thêm cho nguồn quốc gia m t phần năng lư ng

1.6 Giá tr th ực ti n c a lu năvĕn

- Đóng góp m t gi i pháp quan trọng trong việc dần thay thế các nguồn năng

lư ng hóa th ch bằng các nguồn năng lư ng vô tận trong xu thế phát tri n c a thế giới ngày nay

- Đây là gi i pháp rất kh thi đ nâng cao chất lư ng điện năng cho các vùng sâu, vùng xa và xa trung tâm ph t i T i các khu vực này do điều kiện địa lí

tự nhiên nên thư ng là các vùng cuối lưới điện nên điện áp không đ m b o

Việc dùng các b năng lư ng mặt tr i kết h p hay riêng rẻ cùng với năng

lư ng gió là m t gi i pháp h u hiệu đ nâng cao n định điện áp cho các vùng này

- Nâng cao đư c hiệu suất cho b năng lư ng mặt tr i công suất nhỏ,

- Làm tài liệu tham kh o và làm nền t ng đ phát tri n hướng cho các nghiên

c u sau này

- ng d ng r ng rãi việc s d ng cùng lúc hai nguồn năng lư ng tái t o và lưới điện quốc gia cho các h tiêu th điện

- Giúp các nhà ho ch định chiến lư c về nguồn năng lư ng quốc gia có thêm

m t hướng mới về việc phát tri n nguồn năng lư ng trong tương lai

Chương 4: Mô hình hóa và mô phỏng

Chương 5: Kết luận và Hướng phát tri n

2.1 Nĕngăl ng gió Vi t Nam và ti mănĕngăphátătri n

2.1.1 Nĕngăl ng gió Vi t Nam

Tiềm năng về năng lư ng gió Việt Nam chỉ vào lo i trung bình Hầu hết, các khu vực trên đất liền có năng lư ng gió thấp khai thác không hiệu qu Chỉ có m t vài nơi, do có địa hình đặc biệt nên gió tương đối khá tuy nhiên công suất l i không

lớn Chỉ dọc theo b bi n và trên các h i đ o năng lư ng gió tốt hơn Nơi có nguồn năng lư ng tốt nhất là đ o B ch Long Vĩ, tốc đ trung bình năm đ t đư c từ 7.1- 7.3m/s Tiếp đến là các khu vực đ o Trư ng Sa, Phú Quí, Côn Đ o có tốc đ gió trong kho ng 4.0- 6.6m/s Tuy nhiên cũng nên nói thêm rằng tiềm năng năng lư ng gió Việt Nam chưa đư c điều tra đánh giá đầy đ vì phần lớn số liệu về năng lư ng gió ch yếu chỉ thu thập qua các tr m Khí tư ng Th y văn, t c chỉ đo đ cao từ 10m đến 12m trên mặt đất Chúng ta đang thiếu số liệu về năng lư ng gió các đ cao trên 40m Hiện nay đang có kho ng 10 c t đo gió đ cao từ 30m đến 65m Theo kh o sát gần đây nhất c a IOE, Việt Nam có kho ng 31000km2 đất có

th đưa vào khai thác năng lư ng gió, trong đó có 865km2 tương đương với 3572MW với điện có th đư c t o ra với giá thành ít hơn 6UScents/kWh Nghiên

c u cũng đã minh ch ng đư c rằng năng lư ng gió sẽ là gi i pháp tốt cho kho ng 300.000 h cư dân nông thôn không có điện Trong khi năng lư ng gió có th mang đến nh ng l i ích về môi trư ng, kinh tế, xã h i… Nhưng hiện nay lư ng điện năng khai thác từ gió gần như là con số không Nhà nước cũng chưa có chính sách h tr , khuyến khích nào cho năng lư ng gió Vì vậy, nhiệm v ưu tiên hàng đầu hiện nay

là đặt m c tiêu cho phát tri n năng lư ng tái sinh và đ tìm tòi nghiên c u công nghệ mới phù h p với Việt Nam

Hình 2 1 Gió trung bình hàng năm đ cao 65 m và 30m

Nh ng dự án năng lư ng gió đã và đang tri n khai t i Việt Nam: nhà máy phát điện s c gió đầu tiên Việt Nam ph i k đến là nhà máy đặt t i huyện đ o B ch Long Vỹ, TP H i Phòng Công suất 800KW với vốn đầu tư 0.87 triệu USD (14 tỉ

đồng) Như vậy, với giá bán điện 0.05USD/KWh (750VNĐ/KWh) thì th i gian hoàn vốn là 7 - 8 năm Thực tế cho thấy, mặc dù trong năm 2005, đã có 3 cơn bão

lớn, tốc đ gió đều vư t qua cấp 12 nhưng turbine gió - phát điện vẫn vận hành an toàn Nhà máy điện gió th 2 c a c nước đặt huyện đ o Lý Sơn (Qu ng Ngãi)

vận hành bằng s c gió, có kết h p máy phát điện diesel với t ng công suất 7MW,

t ng vốn đầu tư gần 200 tỷ đồng Dự án đư c chia làm 3 giai đo n: giai đo n 1

đư c thực hiện trong hai năm 2007 và 2008 có công suất 2.5 MW, vốn đầu tư 80 tỷ đồng cung cấp cho 4000 h dân với gần 20000 nhân khẩu Giai đo n 2 nâng công

suất lên 5MW thực hiện trong các năm 2008 -2009 và giai đo n 3 đư c thực hiện trong các năm 2009 - 2012 sẽ công suất lên trên 10MW

Nhiều dự án điện gió rất lớn với m c tiêu hòa vào lưới điện quốc gia vẫn đang

đư c xúc tiến Dự án xây dựng Nhà máy phong điện 3, t i khu kinh tế Nhơn H i, tỉnh Bình Định với t ng vốn đầu tư hơn 35.7 triệu USD Theo thiết kế, nhà máy

đư c đầu tư xây dựng toàn b 14 turbine, 14 máy biến áp đồng b cùng các trang thiết bị và dịch v kèm theo S n lư ng điện hằng năm c a nhà máy hoà vào lưới điện quốc gia đ t kho ng 55 triệu kWh sau khi nhà máy đi vào ho t đ ng cuối năm

2008 Hiện t i, nhà máy điện gió đang đư c xây dựng t i Bình Thuận với công suất khá lớn

M t dự án đầu tư rất lớn đang có th tr thành hiện thực Việt Nam đó là xây

dựng nhà máy điện gió có công suất phát điện 120 MW với vốn đầu tư 120 triệu USD (gần 2000 tỉ đồng) do tập đoàn EurOriont đầu tư chính Đ có m t hình dung

về con số này, hãy so sánh với th y điện - th y l i Rào Quán Qu ng Trị, vốn đầu

tư 2000 tỉ đồng và công suất phát điện là 64 MW

Vậy, nhìn chung các dự án điện gió có suất đầu tư 1000USD/kW, kh năng thu hồi vốn trong vòng 10 năm, giá thành điện không cao 5UScents/kWh Theo dự báo đến năm 2010, suất đầu tư nguồn điện bằng s c gió chỉ còn kho ng 700- 800USD/kW, giá thành 3.5– 4.0UScents/kWh Với quy mô nhỏ thì đặc biệt h u ích cho vùng sâu, vùng xa và h i đ o Với quy mô lớn thì thư ng đư c phát tri n

nh ng vùng trống, khô cằn vùng Nam Trung b như Qu ng Ngãi, Bình Định, Khánh Hòa, Bình Thuận

2.1.2 Ti mănĕngăphátătri nănĕngăl ng gió công suất nh t i Vi t Nam

Việt Nam hiện vẫn còn kho ng 4.5 triệu dân, đặc biệt các h vùng sâu, vùng

xa, h i đ o… vẫn chưa có điện Theo quy ho ch phát tri n m ng lưới điện thì dự

kiến đến năm 2010, vẫn còn trên 1000 xã (trong t ng số hơn 9000 xã) đ i diện cho

500000 h dân với dân số kho ng 3 triệu ngư i vẫn chưa có lưới điện quốc gia Như vậy, căn c vào t ng quan tình hình năng lư ng và xu hướng phát tri n

c a năng lư ng gió phân tán trên thế giới mà ta đã phân tích trên, thì mô hình máy phát điện công suất nhỏ rất phù h p với điều kiện Việt Nam Sau đây là nh ng lý do

vì sao cần ph i phát tri n mô hình máy phát điện công suất nhỏ t i Việt Nam:

- Có th gi i quyết đư c ngay nhu cầu điện chiếu sáng cho m t phần đáng k trong t ng số 4.5 triệu dân vùng sâu, vùng xa chưa có điện, đặc biệt là các c m dân cư đ c lập mà việc hòa lưới điện sẽ rất tốn k m và lâu dài

- Việt Nam có c hàng ngàn km b bi n, tập trung nhiều khu đô thị, c m dân cư ven bi n có nguồn gió phù h p với mô hình máy phát điện nhỏ (vận tốc gió từ 2m/s- 6m/s) Đối tư ng này nếu đư c khai thác tốt sẽ làm gi m áp lực đáng k lên lưới điện quốc gia

- Các h dân cư trên hàng ngàn đ o nhỏ ngoài khơi Việt Nam, tàu thuyền đánh

cá nhỏ có th tự ch nguồn năng lư ng cho chính mình với giá thành thấp hơn việc dùng máy phát diesel như hiện nay

- Chi phí đầu tư cho máy phát điện gió công suất nhỏ sẽ có giá thành rẻ hơn lo i dùng tấm pin mặt tr i có cùng công suất

- Có th nhân r ng mô hình và s d ng các nguồn nhiên liệu t i địa phương

- D b o trì, s a ch a, th i gian s d ng lâu hơn lo i dùng tấm pin mặt tr i

- Các máy phát điện gió công suất nhỏ có th ho t đ ng vận tốc gió thấp hơn

so với các máy phát cỡ lớn

Việt Nam có tiềm năng về năng lư ng gió khá lớn so với các nước trong khu

vực, điều này là m t thuận l i lớn Việc đánh giá đúng m c chế đ gió và phát tri n

mô hình máy phát điện gió công suất nhỏ là hoàn toàn phù h p với điều kiện kinh tế

c a Việt Nam hiện nay, phù h p với xu thế phát tri n c a thế giới Vấn đề đặt ra

đây là chúng ta sẽ lựa chọn mô hình nào máy phát điện gió nào đ phù h p cho điều kiện gió cũng như điều kịện kinh tế c a Việt Nam

2.2 T ng quan v h th ng chuy năđ iănĕngăl ng gió

2.2.1 Các thành ph ần c a h th ng chuy năđ iănĕngăl ng gió

Hình 2 2 Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió kết nối lưới điện

Hệ thống chuy n đ i năng lư ng gió hiện đ i bao gồm:

- Turbine gió: có hai lo i tr c đ ng và tr c ngang Turbine gió tr c ngang với

ưu đi m hiệu suất cao, đư c s d ng r ng rãi trong các hệ thống chuy n đ i công suất lớn Trong bài luận này chúng ta sẽ dùng lo i turbine này vì tính ph biến và kh năng lắp đặt trên cao (tránh các vật c n bên dưới) c a chúng

- Tháp đỡ: đ có đư c nguồn gió lớn và n định ngư i ta thư ng lấy gió trên cao Tháp đỡ dùng đ nâng đỡ hệ thống turbine, máy phát, các b phận cơ khí… cấu trúc tháp đỡ bằng bê tông hoặc th p, có tính toán tần số c ng hư ng khi đưa hệ thống vào ho t đ ng

- H p truyền đ ng (Gear box): máy phát thư ng có tốc đ định m c kho ng

1000 đến 1500 rpm trong khi tốc đ c a turbine gió chỉ kho ng 30-50 rpm Vì vậy h p truyền đ ng đư c dùng đ tương thích cho tốc đ này

- Máy phát điện: hầu hết các hệ thống kết nối với lưới điện đều s d ng máy phát đồng b hoặc máy phát c m ng M t số hệ thống làm việc đ c lập s

d ng máy phát điện nam châm vĩnh c u Trong luận văn này chúng ta dùng máy phát điện nam châm vĩnh c u đ mô phỏng do máy phát điện gió có công suất nhỏ

- B biến đ i công suất: đư c s d ng đ hòa đồng b , điều khi n và b o vệ máy phát kết nối lưới điện b biến đ i công suất chính là linh hồn c a hệ thống chuy n đ i năng lư ng kết nối lưới điện

- Thiết bị truyền t i, kết nối lưới điện: các máy biến áp đư c s d ng đ kết nối lưới điện

- Hệ thống điều khi n, giám sát và b o vệ: Hệ thống chuy n đ i năng lư ng gió hiện đ i sẽ đư c trang bị các hệ thống điều khi n và giám sát máy phát Nhằm tối ưu công suất nhận đư c từ gió, b o vệ toàn hệ thống khỏi sự cố Hệ thống này bao gồm các c m biến đo hướng gió, tốc đ gió đư c thiết kế làm việc với

m c an toàn và tin cậy cao đ đ m b o hệ thống làm việc an toàn Trong luận văn, hệ thống này có nhiệm v đo lư ng tốc đ gió nhằm đ xác định công suất ngõ ra cực đ i đồng th i với tốc đ gió thu đư c hệ thống sẽ cho ph p máy phát bắt đầu ho t đ ng khi lực tác đ ng c a gió thắng đư c lực ma sát

c a các thành phần cơ khí và làm quay các cánh qu t gió Khi vận tốc gió tăng cao và vư t qua ngưỡng an toàn c a máy phát thì thành phần b o vệ sẽ thu các cánh qu t gió l i và ngừng ho t đ ng c a turbine gió đồng th i m ch b o vệ cũng ngắt máy phát điện gió ra khỏi lưới điện nhằm b o vệ an toàn cho lưới điện cũng như máy phát điện gió

2.2.2 Các lo i h th ng chuy năđ iănĕngăl ng gió

Turbine gió có th vận hành tốc đ cố định (thông thư ng trong ph m vi thay đ i 1% so với tốc đ đồng b ) hoặc tốc đ thay đ i Đối với turbine gió tốc đ

cố định, hệ thống máy phát đư c nối trực tiếp với lưới điện, do tốc đ làm việc

đư c cố định theo tần số lưới điện nên hầu như không th điều khi n và do đó không có kh năng hấp thu công suất khi có sự dao đ ng tốc đ gió Vì vậy, đối với

hệ thống turbine gió tốc đ cố định khi tốc đ gió có sự giao đ ng sẽ gây nên sự dao

đ ng công suất và làm nh hư ng đến chất lư ng điện năng c a lưới điện Đối với turbine gió tốc đ thay đ i, vận tốc máy phát đư c điều khi n b i thiết bị điện t công suất, theo cách này sự dao đ ng công suất do sự thay đ i tốc đ gió có th

đư c hấp th bằng cách hiệu chỉnh tốc đ làm việc c a rotor và sự dao đ ng công

suất gây nên b i hệ thống chuy n đ i năng lư ng gió vì thế có th đư c h n chế Như vậy, chất lư ng điện năng do bị nh hư ng b i turbine gió có th đư c c i thiện so với turbine gió tốc đ cố định

Vì tốc đ quay c a tuabin gió khá thấp nên cần đư c điều chỉnh theo tần số điện điều này có th đư c thực hiện theo hai cách; s d ng h p số hoặc thay đ i số

cặp cực từ c a máy phát Số cặp cực từ thiết lập vận tốc c a máy phát theo tần số lưới điện và h p số điều chỉnh tốc đ quay c a turbine theo vận tốc máy phát

Trong phần này, các cấu hình hệ thống chuy n đ i năng lư ng gió sau đây

đư c đề cập:

- Turbine gió tốc đ cố định với máy phát không đồng b

- Turbine gió tốc đ thay đ i với máy điện nam châm vĩnh c u hoặc máy phát đồng b

- Turbine gió tốc đ thay đ i với máy phát không đồng b cấp nguồn từ hai phía

2.2.2.1 H th ng turbine gió c đ nh

Hình 2 3 Hệ thống turbine gió tốc đ cố định Đối với turbine gió tốc đ cố định, máy điện nam châm vĩnh c u đư c kết nối

trực tiếp với lưới điện, điện áp và tần số máy phát đư c quyết định b i lưới điện như hình 2.3

Hệ thống chuy n đ i năng lư ng gió tốc đ cố định thư ng làm việc hai tốc

đ cố định, điều này đư c thực hiện bằng cách s d ng hai máy phát có định m c

và có số cặp cực từ khác nhau, hoặc cùng m t máy phát nhưng có hai cu n dây với định m c và số cặp cực khác nhau Thực hiện như vậy sẽ cho ph p tăng công suất thu đư c từ gió cũng như gi m t n hao kích từ tốc đ gió thấp Máy phát không

đồng b thư ng cho phép làm việc trong ph m vi đ trư t từ 1 – 2%, vì đ trư t lớn hơn đồng nghĩa với t n hao tăng lên và hiệu suất thấp hơn

Mặc dù có cấu t o đơn gi n, v ng chắc và đ tin cậy cao, song cấu hình này

có 3 như c đi m chính:

- Không th điều khi n công suất tối ưu

- Do tốc đ rotor đư c gi cố định nên ng lực tác đ ng lên hệ thống lớn khi tốc đ thay đ i đ t ng t

- Không có kh năng điều khi n tích cực (Active control)

2.2.2.2 H th ng turbine gió t căđ thayăđ i bi năđ i toàn b công suất

Cấu hình hệ thống này đư c trang bị m t b biến đ i công suất đặt gi a stator máy phát và lưới điện, máy phát có th là máy phát không đồng b (IG) hoặc máy phát đồng b (SG) Với cấu hình này, có th điều khi n tối ưu công suất nhận đư c

từ gió, nhưng do ph i biến đ i toàn b công suất phát ra nên t n hao lớn

Hình 2 4 Hệ thống turbine gió tốc đ thay đ i biến đ i toàn b công suất

phát

2.2.2.3 H th ng turbine gió t căđ thayăđ i bi năđ i m t phần công suất

Hệ thống bao gồm turbine gió đư c trang bị máy phát cấp nguồn từ hai phía DFIG có stator đư c nối trực tiếp với lưới điện, trong khi đó rotor dây quấn đư c

nối thông qua m t b biến đ i công suất d ng back to back như hình 2.5 Ngày nay,

cấu hình này tr nên rất thông d ng do chỉ ph i biến đ i m t lư ng 20 – 30% c a toàn b công suất phát nên t n hao trong thiết bị điện t công suất gi m xuống đáng

k so với cấu hình biến đ i toàn b công suất phát

Hình 2 5 Hệ thống turbine gió thay đ i tốc đ với b biến đ i công suất phía

roto

2.3 T ng quan v các ki u turbine gió

Có nhiều ki u thiết kế khác nhau cho turbine gió, và đư c phân ra làm hai lo i

cơ b n chính: Turbine gió tr c ngang (HAWT) và turbine gió tr c đ ng (VAWT) Các cánh qu t gió thư ng có các d ng hình dáng: cánh buồm, mái chèo, hình chén đều đư c dùng đ bắt năng lư ng gió đ t o ra mô men quay tr c turbine, như hình 2.6

Turbine gió tr c ngang (HAWT) có rô to ki u chong chóng với tr c chính nằm ngang Số lư ng cánh qu t có th thay đ i, tuy nhiên thực tế cho thấy lo i 3 cánh là

có hiệu suất cao nhất HAWT có các thành phần cấu t o nằm thẳng hàng với hướng gió, cánh qu t quay đư c truyền đ ng thông qua b nhông và tr c Lo i turbine tr c ngang không bị nh hư ng b i sự xáo tr n luồng khí (khí đ ng học), nhưng yêu cầu

ph i có m t hệ thống điều chỉnh hướng gió bằng cơ khí đ đ m b o các cánh qu t luôn luôn hướng thẳng góc với chiều gió

Turbine gió tr c đ ng (VAWT) có cánh nằm dọc theo tr c chính đ ng Lo i này không cần ph i điều chỉnh cánh qu t theo hướng gió và có th ho t đ ng bất

kỳ hướng gió nào Việc duy tu b o qu n và duy trì vận hành rất d dàng vì các b

phận chính như máy phát, hệ thống truyền đ ng đều đư c đặt ngay trên mặt đất Tuy nhiên nó cần có không gian r ng hơn cho các dây chằng chống đỡ hệ thống

Hình 2 6 Cấu t o turbine tr c đ ng và tr c ngang

1 Chiều gió đến c a HAWT 2 Đư ng kính rô to

3 Chiều cao c a Hub 4 Cánh rô to

9 Chiều gió phía sau rô to 10 Chiều cao rô to

11 Tháp VAWT 12 Đ cao kính xích đ o

13 Cánh rô to với gócbước cố định 14 Nền rô to

2.4 T ng quan v pinănĕngăl ngăm tătr i

2.4.1 ăăThựcăt ăt iăVi tăNam

2.4.1.1 Ti mănĕngăphátătri nănĕngăl ng m t tr i t i Vi t Nam

Lãnh th Việt nam kéo dài từ vĩ đ 8 –23 vĩ đ Bắc, nằm trong khu vực nhiệt đới, có tiềm năng lớn về năng lư ng mặt tr i Số gi nắng trung bình năm (hrs/year)

t i các vùng miền có sự khác nhau tùy vào điều kiện địa hình và th i tiết, tuy nhiên, nhìn chung số gi nắng khá cao và năng lư ng qui đ i trên m i đơn vị diện tích thu c hàng cao trên thế giới Thông số kh o sát đư c đưa ra như trong hình bên dưới

Với sự tr i dài từ bắc xuống nam c a lãnh th địa lí nước ta, sự phân bố về năng

lư ng mặt tr i đư c phân ra thành 5 khu vực địa lí khác nhau Các đặc trưng về năng lư ng mặt tr i đư c đưa ra như trong b ng 2.1 bên dưới

Qua b ng 2.1 ta rút ra đư c các nhận x t sau:

- Khu vực Bắc B thấp nhất do nh hư ng c a gió mùa Đông Bắc vào mùa đông và do cách xa đư ng xích đ o hơn các khu vực còn l i

- Khu vực Nam B , từ Đà Nẵng tr vào, b c x mặt tr i và số gi nắng cao hơn

- Nhìn chung, tiềm năng năng lư ng mặt tr i Việt Nam là khá tốt, nếu đư c phát tri n đúng m c thì đây sẽ là nguồn năng lư ng có kh năng đáp ng phần lớn nhu cầu năng lư ng cho xã h i hiện đ i trong tương lai gần

B ng 2.1 Phân bố năng lư ng mặt tr i t i các vùng trên lãnh th Việt Nam

2.4.1.2 ng d ngănĕngăl ng m t tr i t i Vi t Nam hi n nay

Việc nghiên c u và ng d ng công nghệ năng lư ng tái t o nói chung và năng

lư ng mặt tr i nói riêng vẫn còn m c thấp, quy mô nhỏ và phân tán Hầu hết các

dự án ng d ng mới chỉ mang tính trình di n

Công nghệ ng d ng chính là hệ thống năng lư ng mặt tr i đ c lập đ cung cấp điện cho các khu vực nông thôn (như thắp sáng, ti vi, nghe đài cho h gia đình; Thiết bị công c ng (như trư ng học, tr m y tế làng, nhà văn hóa, trung tâm xã); vi n thông khu vực miền núi, h i đ o và các đèn tín hiệu điện/ h i đăng đ thông tin liên l c bi n, …

Gần 100% các module năng lư ng mặt tr i là nhập khẩu Các thành phần khác như b điều khi n, biến tần, pin có th đư c thiết kế, s n xuất m t phần trong nước Tuy hiện nay đã có m t số doanh nghiệp tư nhân đầu tư vào lĩnh vực chế t o các

tấm pin năng lư ng mặt tr i, nhưng các nhà máy này vẫn còn nhiều vướng mắc về chính sách và hướng phát tri n nên cũng chưa t o đư c thế đ ng trên thị trư ng Việt Nam Nhiều doanh nghiệp đã thoái vốn, đóng c a nhà máy

Công suất cài đặt tích luỹ trong c nước đến nay đư c ước tính kho ng 1,5 –1,6MWp Các khách hàng ch yếu là vi n thông, truyền thông hàng h i và h gia đình nông thôn và c ng đồng Về hệ thống năng lư ng mặt tr i nối lưới hiện nay vẫn còn khá mới mẻ Hiện nay, mới chỉ có m t vài hệ thống thí đi m quy mô nhỏ như hệ thống 150kWp Trung tâm h i nghị quốc gia, Hà n i và hệ thống 12kWp

t i toà nhà B Công thương

Nhìn chung, tình hình phát tri n năng lư ng mặt tr i t i nước ta hiện nay hầu như không phát tri n tương x ng với tiềm năng vốn có c a nó Có nhiều nguyên nhân khách quan và ch quan đưa đến thực t i này, trong đó có m t số nguyên nhân chính sau:

- Thiếu chiến lư c và chính sách trọng đi m quốc gia về năng lư ng tái t o Do

đó việc nghiên c u và ng d ng năng lư ng tái t o nói chung và năng lư ng mặt tr i nói riêng ph i đối mặt với nhiều rào c n

- Cho đến nay Việt Nam tương đối có tiềm năng về nhiên liệu hóa th ch như than, dầu, khí tự nhiên, và th y điện (Nhưng từ nayViệt Nam sẽ tr thành nước nhập khẩu năng lư ng, trong đó nhập khẩu điện từ Trung Quốc, than từ Indonesia, ) Với các nguồn năng lư ng truyền thống này, tỉ suất đầu tư thấp hơn nhiều so với việc đầu tư đ phát tri n năng lư ng mặt tr i Do vậy, vì các lí do kinh tế mà năng lư ng mặt tr i không đư c đầu tư đ phát tri n

- Thu nhập c a ngư i dân Việt Nam vẫn còn thấp so với m c đầu tư và chi phí cao c a công nghệ năng lư ng tái t o Trong khi đó, Chính ph vẫn chưa có chính sách h tr ng d ng năng lư ng tái t o

- Các rào c n trên khiến cho các công trình nghiên c u và ng d ng công nghệ năng lư ng mặt tr i vẫn m c thấp, quy mô nhỏ và phân tán Hầu hết các dự

án tri n khai thực hiện mới m c thí đi m và ng d ng quy mô nhỏ nông thôn Việt Nam hiện vẫn thiếu các d liệu năng lư ng mặt tr i đ thiết lập các

dự án thương m i cũng như thiếu ngành công nghiệp điện mặt tr i và m ng lưới dịch v

2.4.2 ăPhơnălo iăpinăm tătr i

Cho tới nay thì vật liệu ch yếu cho pin mặt tr i là các silic tinh th Pin mặt tr i

từ tinh th silic chia ra thành 3 lo i:

Hình 2 7Các lo i pin mặt tr i thư ng gặp

* M t tinh th hay đơn tinh th module s n xuất dựa trên quá trình Czochralski Đơn tinh th lo i này có hiệu suất tới 16% Chúng thư ng rất mắc tiền do đư c cắt

từ các thỏi hình ống, các tấm đơn th này có các mặt trống góc nối các module

* Đa tinh th làm từ các thỏi đúc, đúc từ silic nung ch y cẩn thận đư c làm ngu i và làm rắn Các pin này thư ng rẻ hơn các đơn tinh th , tuy nhiên hiệu suất

k m hơn Tuy nhiên chúng có th t o thành các tấm vuông che ph bề mặt nhiều hơn đơn tinh th bù l i cho hiệu suất thấp c a nó

* D i silic t o từ các miếng phim mỏng từ silic nóng ch y và có cấu trúc đa tinh

th , lo i này thư ng có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên lo i này rẻ nhất trong các lo i

vì không cần ph i cắt từ thỏi silicon

Từ các tế bào pin mặt tr i c a c ba lo i trên có d ng các tấm mỏng với đ dày kho ng 300 m Đ s d ng hiệu qu các tấm pin quang điện, ngư i ta gh p chúng

l i đ cho ra các module pin năng lư ng mặt tr i Số lư ng cũng như cách th c

gh p các tấm pin năng lư ng mặt tr i này ph thu c vào nhu cầu s d ng

2.5 T ng quan v k t n i turbine gió và m tă tr iă trongă l iă đi n Microgrid

Trong vài năm qua, tiêu th điện liên t c tăng Các gi i pháp truyền thống đ nâng cấp cơ s h tầng hệ thống điện đã ch yếu đư c thực hiện xây dựng nhà máy điện mới, đư ng dây truyền t i mới, tr m biến áp, và thiết bị liên quan Tuy nhiên, như kinh nghiệm đã ch ng minh, các quá trình xây dựng nhà máy và đư ng dây truyền t i mới tr nên vô cùng khó khăn, tốn kém và mất th i gian Kết qu là lưới điện bị suy gi m, dẫn đến kh năng cung cấp điện bị gi m và chi phí năng lư ng cao hơn

Bất chấp nh ng vấn đề trên, đ tin cậy c a hệ thống là quan trọng và không th

bị nh hư ng Đ khắc ph c vấn đề này, các nhà khai thác m ng lưới đã chuy n từ

hệ thống hình tia qua hệ thống m ng lưới Tuy nhiên điều này làm gi m kh năng

ki m soát c a m ng vì dòng điện ch y dọc theo các đư ng dây c th mà không d dàng đư c ki m soát Tình hình thậm chí còn tồi tệ hơn nếu m t sự cố như quá t i

x y ra, tăng kh năng mất điện lưới Thêm vào đó, việc tăng trư ng ph t i nhanh chóng dẫn đến quá t i trên các đư ng dây trọng đi m, do đó, dẫn đến các ho t đ ng không hiệu qu c a thị trư ng năng lư ng

Đ gi i quyết vấn đề này thì lưới điện Microgrib đóng m t vai trò rất quan trọng trong tương lai, là nh phát điện phân tán t i các h tiêu th nên làm gi m bớt truyền t i công suất trên đư ng dây Điều này giúp khách hàng có m t vài trò tích cực trong cung cấp điện

Lưới điện siêu nhỏ ( Microgrid) là m t hệ thống bao gồm các nguồn năng lư ng

có công suất nhỏ, phát điện phân tán đư c chú trọng s d ng nhiều các nguồn năng

lư ng tái t o như: nguồn pin mặt tr i, pin nhiên liệu, turbine gió, biogas…cùng các

ph t i, hệ thống đo lư ng và kết nối Lưới điện siêu nhỏ có th ho t đ ng chế đ

đ c lập hoặc đư c kết nối vào lưới điện phân phối chính

Tóm l i, lưới điện Microgrid sẽ đêm l i các l i ích sau :

 Sẽ gi m các t i đỉnh và t o ra các phần dự tr

 Sẽ làm gi m chi phí xây dựng đư ng truyền, nhà máy mới

 Sẽ gi m t n thất đư ng dây cùng với gi m chi phí vận hành và b o dưỡng

 Sẽ chuy n hướng dòng năng lư ng ch y, thay đ i mô hình t i, c i thiện điện

áp và tăng n định

 Sẽ cho phép h tiêu th tham gia phát điện vào hệ thống

 Sẽ tận d ng đư c nguồn năng lư c tái t o và gi m ô nhi m môi trư ng

2.6 Hòaăđ ng b hai máy phát

Về cơ b n, các nguồn điện hiện nay đư c phân chia thành hai lo i cơ b n là nguồn dòng và nguồn áp

- Nguồn áp là nguồn điện có kh năng cung cấp m t hiệu điện thế n định ph thu c vào tính chất đặc đi m c a nguồn điện, còn giá trị về dòng điện sẽ ph thu c vào các đặc đi m môi trư ng bên ngoài mà nó kết nối cũng như đặc tính bên trong c a chính nó Ví d nguồn áp m t chiều 5V, 12V hay nguồn áp xoay chiều 220V, 11.5KV, 500KV

- Nguồn dòng là nguồn điện sẽ cung cấp cho môi trư ng liên kết bên ngoài m t dòng điện có giá trị không ph thu c vào tính chất cũng như môi trư ng liên

kết với chúng

Tùy vào đặc đi m c a các nguồn điện hòa đồng b mà ta sẽ xác định các thông

số khác nhau nh hư ng đến quá trình hòa đồng b hai máy phát điện

Trong luận văn này, với m c đích hòa đồng b nguồn điện mặt tr i vào lưới điện phân phối là m t nguồn áp nên ta chỉ xem x t hai trư ng h p hòa đồng b có th

x y ra đó là hòa đồng b m t nguồn dòng vào m t nguồn áp và hòa hai nguồn áp

với nhau

2.6 1ăHòaăđ ng b hai ngu n áp

Ta biết rằng thao tác hoà đồng b hai máy phát là chọn đi m đồng b đ đóng áp

to mát c a t máy hoà lên lưới là việc song song với t máy phát đang làm việc trên lưới Đi m hoà chính xác là đi m thỏa mãn các điều kiện sau:

- Biên đ Sđđ máy hòa bằng điện áp lưới Eh =Ul

- Giá trị tần số c a máy hoà ph i bằng tần số c a lưới Fh = fl

- Các t máy phát ph i có cùng th tự pha

- Góc lệch gi a hai v c tơ Eh,Ul bằng "không "

Đ phân tích các điều kiện ta có th gi thiết các máy phát đang làm việc khi thực

hiện hoà đồng b chính xác ph i làm sao đ dòng điện cân bằng ch y gi a các máy phát điện có giá trị nhỏ nhất đ máy phát không hỏng, các máy phát ho t đ ng song song bình thư ng Nếu các điều kiện hoà song song đư c tho mãn, đặc biệt góc

lệch pha gi a các điện áp pha nằm trong giới h n cho phép việc hoà song song xẩy

ra êm, không có dòng cân bằng lớn

Khi các điều kiện hoà song song gi a các máy phát đư c thỏa mãn hiệu số hình

học điện áp gi a điện áp pha c a máy phát đang ho t đ ng và máy phát đư c hoà

ph i bằng không và dòng cân bằng vào th i đi m hoà bằng không, c th không có tăng dòng đ t biến, không có hiện tư ng giao đ ng điện áp trên thanh cái Nếu các điều kiện hoà đồng b chính xác không đư c tho mãn từng phần hay toàn b khi hòa máy phát vào m ng sẽ có dòng cân bằng và giao đ ng điện áp trên thanh cái với

nh ng giá trị khác nhau trên lưới đư c quy về m t t máy tương đương gọi là Fl Máy sẽ hoà vào gọi là MF1

T i bất c th i đi m nào trước khi hoà ta cũng có:

) sin(

U u

e

2 sin(

) 2 cos(

h l

cb

X X

u I







(2.4)(Xl là điện kháng c a máy phát tương đương làm việc trên lưới, Xh là điện kháng c a máy phát hoà)

Hình 2 8 Sơ đồ hai máy phát hòa đồng b

Hình 2 12 Sơ đồ bi u thị vecto khi hòa đồng b

X X

u I

; đ lớn tuỳ thu c đ chênh lệch

Bi u thị v c tơ ch ng minh điều kiện hoà th nhất không thỏa mãn ch ng tỏ dòng cân bằng còn tồn t i, dòng cân bằng này có giá trị từ 0 –Inm

Hình 2 10 Sơ đồ vector khi điện áp không thỏa mãn

2.6.2.2 Đi u ki n tần s

Gi s điện áp các máy phát bằng nhau, tần số khác nhau: Ul= Eh= U, fl  fh Trong trư ng h p đó các vector điện áp c a máy đang ho t đ ng và máy đư c hoà sẽ lệch nhau m t góc δ, Vì tốc đ góc c a 2 máy phát ω1, ω2 không bằng nhau nên góc δ thay đ i từ 0-1800

, hiệu số hình học các điện áp nằm trong giới h n từ 2U Vào th i đi m hoà máy phát điện 1 vào m ng sẽ xuất hiện dòng cân bằng, giá

0-trị c a nó ph thu c hiệu hình học điện áp ̅̅̅̅ Vì điện tr tác d ng c a cu n dây stator nhỏ so với điện tr kháng nên vector dòng cân bằng ̅̅̅̅ lệch pha với vectơ

2

'' 2

'' 1

''

d c d

d y yp

x x x

E k i

x - Điện tr kháng siêu dẫn dọc tr c c a máy phát 1 và máy phát 2

Xc - Điện tr kháng, qua điện tr đó máy phát 1 đư c hoà với máy phát 2

Ky - Hệ số va đập, có tính đến thành phần không chu kỳ c a dòng điện

2 - Hệ số xác định biên đ thành phần có chu kỳ dòng điện

Dòng cân bằng đ t giá trị cực đ i khi 0

180





'' 2

d y yp

x x x

E k i

Dòng cân bằng đ t giá trị cực đ i khi  1800,U 2U (2Eh)

Nếu hệ thống điện năng có 2 máy phát giống nhau nên '' , 0

2 ''

1  d c 

d x x

trư ng h p xấu nhất   180 0 khi hoà song song, dòng cân bằng đ t giá trị cực đ i

bằng dòng va đập ngắn m ch 3 pha trên thanh cái c a hệ thống: ''

1

''

yp 2i

d

d y

x

E k

180



 ) và vì vậy dòng cân bằng

h l cb

X X

u I

Th tự pha là điều kiện ngư i vận hành thực tế không cần quan tâm đến vì khi

lắp đặt hay s a ch a, các nhà máy ph i xác định cho đúng trước khi th cho làm

việc song song Tuy nhiên về b n chất thực sự c a th tự pha bi u thị chiều quy c a

v c tơ điện áp trong không gian

Theo quy ước nếu th tự pha thuận sao điện áp sẽ quay ngư c chiều kim đồng

h , trong trư ng h p ngư c l i là ngư c th tự pha (bi u di n trên hình 2.14)

Hình 2 11 Sơ đồ hệ thống ba pha vector quay

Đ ki m tra th tự pha ngư i ta có các đồng hồ Phazomet, hoặc th đơn gi n

bằng m t đ ng cơ điện xoay chiều Th tự thuận theo ngư c chiều kim đồng hồ là Pha A, Pha B, Pha C

2.6.2.4 Đi u ki n v góc l ch pha

Đi m đồng b là đi m có góc lệch  gi a (Ul , Eh) = 0 Trong trư ng h p đó Icb = 0

các góc khác   0 thì Icb  0;

Chú ý : Thông thư ng thì việc chọn đi m đóng áp tomát c a máy phát hoà sẽ

đư c thực hiện khi góc  < 10 đ điện về phía trước khi góc  gi m tới "0" (đi m đồng b ) do sự chậm tr c a quan sát, đ ng tác và hệ truyền đ ng cơ khí, trước khi góc  gi m tới "0" vì như vậy máy hoà vào sẽ nhận ngay m t phần nhỏ t i c a máy đang làm việc, trư ng h p ngư c l i máy hoà sẽ tr thành chế đ công suất ngư c làm cho t i c a máy đang làm việc trên lưới tăng lên

2.6 3ăHòaăđ ng b m t ngu n dòng vào m t ngu n áp

Xét việc hòa đồng b nguồn dòng vào m t nguồn áp như hình bên dưới

Hình 2 11 Sơ đồ kết nối nguồn dòng vào nguồn áp khi hòa đồng b

Công th c tính công suất đưa vào nguồn áp từ nguồn dòng đư c đưa ra như sau:

Hình 2 12 Bi u di n vector quay c a dòng điện và điện áp

Từ công th c tính P,Q như trên, công suất tác d ng P cũng như công suất ph n kháng Q bơm vào nguồn áp ph thu c hoàn toàn vào góc lệch gi a điện áp và dòng điện cũng biên đ c a điện áp và dòng điện t i đi m hòa

Với công suất tác d ng P, muốn bơm công suất tác d ng vào nguồn áp thì ta sẽ điều chỉnh dòng điện sao cho Khi muốn nguồn dòng nhận công suất tác d ng từ nguồn áp thì ta điều chỉnh dòng điện sao cho

Với công suất ph n kháng Q, muốn bơm công suất ph n kháng vào nguồn áp thì

ta điều chỉnh góc lệch Còn khi muốn nguồn dòng nhận công suất ph n kháng từ nguồn áp thì ta điều chỉnh dòng điện sao cho

Khi muốn thay đ i giá trị công suất tác d ng và công suất ph n kháng thì theo công th c tính P,Q ta có th thay đ i các giá trị U,I,φ



 sin

cos

I U Q

I U P





u Ax mu

x: Đ dày khối khí, đơn vị là m;

Gi s khối khí đó đư c bi u di n như hình 3.1, với chiều x di chuy n theo vận tốc u, ta thấy đ ng năng tăng đều theo x, vì khối khí tăng đều

Như vậy, năng lư ng c a gió P w, chính là đ o hàm đ ng năng theo th i gian:

Hình 3.1 Năng lư ng c a khối không khí có diện tích mặt cắt ngang A Mặt khác, ta biết mật đ không khí đư c bi u di n theo đẳng th c:

 3

/485

T Au

P w 3 1.742 3

2

Đối với không khí điều kiện bình thư ng thì p = 101.3 Pa và T = 273 K, với

A là diện tích qu t (m2) và u là vận tốc gió (m/s) Khi đó phương trình đư c rút gọn

l i là:

 W Au

tr c ngang truyền thống ki u có cánh d ng chong chóng

Nếu như ta xem khối không khí di chuy n ban đầu khi chưa tiếp cận turbine gió có đư ng kính d1, vận tốc u1, áp suất p1 Vận tốc khối khí sẽ gi m khi tiếp xúc với turbine làm cho luồng khí giãn ra bằng với đư ng kính d2 c a turbine gió Ễp lực không khí sẽ tăng cực đ i ngay trước turbine và sẽ gi m ngay khi qua khỏi turbine Chính đ ng năng (kinetic energy) trong không khí đư c chuy n thành năng

lư ng tiềm ẩn (potential energy) đ gây ra sự tăng áp suất này Sau khi qua khỏi turbine sẽ vẫn còn nhiều đ ng năng đư c chuy n đ i thành năng lư ng tiềm ẩn đ làm tăng áp suất không khí tr l i bình thư ng Điều này làm cho tốc đ gió tiếp t c

gi m cho tới khi áp suất tr l i cân bằng M t khi tốc đ gió tiến đến đi m thấp, thì tốc đ c a khối khí sẽ tăng tr l i sao cho u4 = u1 như bầu không khí xung quanh

nó

Hình 3 2 Bi u di n luồng khí th i qua m t turbine gió lý tư ng

Có th bi u di n theo các điều kiện tối ưu, khi công suất cực đ i đư c truyền

từ khối khí sang turbine Ta có các quan hệ sau:

1 4

1 3

2

1 4

1 3

2

3

323

1

32

A

A

A A

A

u

u

u u

4 4 3 1 1

9

82

12

141

Đẳng th c trên đư c phát bi u rằng m t turbine lý tư ng sẽ thu đư c 8/9 năng

lư ng từ luồng gió tự nhiên Tuy nhiên, như Hình 3.2 ta thấy khối khí có diện tích nhỏ hơn diện tích turbine, và điều này có th làm sai kết qu do diện tích A1 khó xác định

Phương pháp bình thư ng bi u di n phần năng lư ng thu đư c theo tốc đ gió

u1và diện tích turbine A2 Phương pháp này cho ta:

 W u

A u

A ideal

1 2

27

162

13

29

82

1

Hệ số 16/27= 0.593 thư ng đư c gọi là hệ số Betz Nghĩa là m t turbine không th thu đư c nhiều hơn 59.3% năng lư ng c a khối khí có cùng diện tích Thực tế cho thấy phần năng lư ng thu đư c luôn luôn ít hơn, nguyên nhân là do hệ

thống cơ khí không hoàn h o điều kiện tối ưu kết qu tốt nhất có th thu đư c cũng chỉ kho ng 35% - 40% năng lư ng từ gió, mặc dù ngư i ta khẳng định là hoàn toàn có th thu đư c tới 50% M t turbine mà có th thu đư c tới 40% năng lư ng

từ gió, t c thu đư c kho ng 2/3 năng lư ng mà m t turbine lý tư ng thu đư c cũng

đư c coi là rất tốt

3.1.2 Hi u su ất turbine gió

Do vận tốc gió luôn thay đ i theo điều kiện th i tiết và địa hình Nên đ đánh giá tiềm năng gió ngư i ta thư ng tính vận tốc gió trung bình, từ đó ngư i ta có th tính năng lư ng kỳ vọng nhận đư c m t vùng c th Do vận tốc gió thư ng thay

đ i theo mùa và có xu hướng lặp l i với chu kỳ m t năm sau đó, nên vận tốc gió trung bình đư c xác định cho kho ng th i gian m t năm

Hình 3.3 Góc pitch c a cánh qu t gió Trước khi kh o sát hiệu suất c a turbine gió, m t số định nghĩa đư c đưa ra như sau:

Rb: Chiều dài c a cánh gió

rb: Bán kính c a cánh gió, kho ng cách từ mặt cắt ngang c a cánh gió đến tr c

c a turbine

ω: tốc đ gió mặt, tốc đ gió kho ng cách đ lớn phía trước cánh qu t

ω0: tốc đ gió lưng, tốc đ gió kho ng cách đ lớn sau khi ra khỏi cánh gió

AR: diện tích qu t c a cánh gió

β: góc pitch góc gi a đư ng cung và mặt phẳng xoay

Năng lư ng thực tế (hay công suất cơ) Pmech lấy đư c từ gió b i cánh qu t turbine là đ chênh lệch đ ng năng đư c tích tr trong gió phía trước qu t có vận tốc ω, đ ng năng c a gió phía sau cánh qu t có vận tốc ω0

Công suất cơ này ph thu c vào diện tích qu t c a cánh gió, và tỷ lệ với lập phương vận tốc gió

3

1

( , ) (W)2

λ : Tỉ số gi a tốc đ gió mặt và gió lưng

Với m t vận tốc gió cho trước, giá trị c a Cp ph thu c vào λ Đư c tính như sau: