BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LƯƠNG SƠN KHỞI MÔ HÌNH HÓA VÀ ĐIỀU KHIỂN MỘT HỆ THỐNG TÍCH HỢP NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ NĂNG LƯỢNG
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ LƯƠNG SƠN KHỞI
MÔ HÌNH HÓA VÀ ĐIỀU KHIỂN MỘT HỆ THỐNG TÍCH HỢP
NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202
Trang 2MÔ HÌNH HÓA VÀ ĐIỀU KHIỂN MỘT HỆ THỐNG TÍCH HỢP NĂNG LƢỢNG GIÓ VÀ NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI
Trang 3LÝ LỊCH KHOA HỌC
I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:
Họ & tên: Lương Sơn Khởi Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh:15/12/1986 Nơi sinh: Ninh Thuận
Quê quán:Ninh Thuận Dân tộc: Kinh
Địa chỉ liên lạc: 40 Trần Cao Vân, Phường Đô Vinh, Tp Phan Rang Tháp Chàm, Ninh Thuận
Điện thoại liên lạc: 0937.27.55.17
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: “Thiết kế và thi công thiết bị nâng cao chất lượng điện năng”
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp:Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
Người hướng dẫn: TS Trương Việt Anh
III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:
Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm
đến nay Cty truyền tải điện 4 Nhân viên vận hành
Tp.Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2015
Xác nhận của cơ quan
Trang 4iii
LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác
Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2015
Lương Sơn Khởi
Trang 5LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên,tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc, người đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện
quyển luận văn này
Xin cảm ơn các Thầy Cô đã cho em nền tảng kiến thức – tri thức quí báu Xin cám ơn quý Thầy Cô trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM, Khoa Cơ –Điện – Điện Tử, Phòng Quản Lý Khoa Học - Đào Tạo Sau đại học, tập thể lớp 2012b và 2013b đã tạo cơ hội cho em thực hiện Luận văn này
Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn cha mẹ và người thân đã luôn ở bên tôi
và động viên tôi rất nhiều để tôi hoàn thành khóa học này
Lương Sơn Khởi
Trang 6
v
TÓM TẮT
Ngày nay, việc phát triển trong lĩnh vực năng lượng tái tạo và phát điện phân tán đã đạt được nhiều thành tựu đáng kể trong vài năm kể lại đây mà cụ thể của đề tài em là năng lượng gió và năng lượng mặt trời, đây là các lĩnh vực năng lượng sạch, vô tận và thân thiện với môi trường Trong tình hình nhu cầu năng lượng ngày càng cao thì việc đa dạng hóa các nguồn năng lượng từ các nguồn năng lượng mới
và vô tận là một giải pháp hiệu quả và luôn được khuyến khích phát triển Các nguồn năng lượng này sẽ giảm bớt một phần gánh nặng từ áp lực cung cấp điện năng của lưới điện, chủ yếu dựa vào nguồn năng lượng hóa thạch như nhiệt điện, điện hạt nhân, thủy điện… Tuy nhiên, việc phát triển năng lượng tái tạo cũng có một số hạn chế đó là công suất nhỏ và phân tán Để sử dụng có hiệu quả cần phải kết nối các nguồn năng lượng này thông qua lưới điện phân phối hiện có bằng các
bộ nghịch lưu có khả năng kết nối với lưới điện xoay chiều của hệ thống điện hiện tại
Trong quá trình hoa ̣t đô ̣ng của các bô ̣ pin năng lượng m ặt trời kết nối lưới điện phân phối, ngoài việc phải hoạt động tại điểm có công suất lớn nhất theo sự thay đổi của cường đô ̣ bức xa ̣ mă ̣t trời , tức phụ thuộc vào thời tiết thì yêu cầu về tối thiểu hóa tổng độ méo dạng sóng hài (THD) là một yêu cầu cần phải đạt được để đảm bảo chất lươ ̣ng điê ̣n năng trên lưới điê ̣n Để đa ̣t được yêu cầu này , giải thuật tối ưu hóa bầy đàn (PSO) đã được giới thiê ̣u và ứng du ̣ng trong viê ̣c xác đi ̣nh các hê ̣ số đ iều khiển trong bô ̣ điều khiển dòng điê ̣n
Trong lĩnh vực năng lượng gió, đối với các máy phát điện gió công suất nhỏ chỉ được thiết kế để hoạt động độc lập Vì vậy, việc thiết kế bộ chuyển đổi năng lượng gió hòa đồng bộ lưới điện phân phối là một yêu cầu cấp thiết hiện nay
Luận văn tập trung xử lí vấn đề duy trì vận hành bình thường cho các phụ tải khi lưới điện chuyển từ trạng thái nối lưới sang trạng thái vận hành độc lập do mất nguồn điện lưới Xây dựng phương pháp ổn định điện áp cho phụ tải trong một thời gian sau khi xuất hiện sự cố mất nguồn điện lưới
Trang 7ABSTRACT
Nowaday, wind and solar energy have been developing successfully, both field are green and renewable resource More and more higher energy demand in our life need diversity of resource with enjoying of green and renewable is the effective aproach, which are always encouraged Those resource will redue demand
of energy from hydroelectric plant and thermoelectricity plant on power system However, solar energy have low rate power and dispersion To increase efficiency
of solar energy need to connect them with power network via invertor, which can link to power system
The whole of operation of solar cell units link to power network, beside the requirement the solar cell units must operate at the maximum power point, the current was injected to power grid must have minimum total hamonic disturbance (THD) Solving this requirement, Particle Swarm Optimization (PSO) theory was introduced and implement in this thesis to determine controll factors of PI current regulator
In the case of wind energy field, that wind generators were operated independently, designing of new wind generator which can connect to national power network is very necessary
This thesis focuses on solving the problems of maintaining normal operation
of the power load when microgrid changing from grid-connected to autonomousoperation due to the lost of power grid Build a methodto maintain load voltage stability during the appearance of grid power failures
Trang 8vii
MỤC LỤC
Quyết định giao đề tài
Lý lịch cá nhân i
Lời cam đoan ii
Lời cảm ơn iii
Tóm tắt iv
Mục lục v
Danh sách chữ viết tắt x
Danh sách các hình xi
Danh sách các bảng xiv
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Đặt vấn đề 1
1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ 3
1.3 Phạm vi nghiên cứu 4
1.4 Phương pháp nghiên cứu 4
1.5 Điểm mới của luận văn 5
1.6 Giá trị thực tiễn của luận văn 5
1.7 Nội dung của luận văn 6
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2.1 Microgrid và phát điện phân tán 7
2.2 Tổng quan về hệ thống chuyển đổi năng lượng gió 9
2.2.1 Các thành phần của hệ thống chuyển đổi năng lượng gió 9
2.2.2 Các loại hệ thống chuyển đổi năng lượng gió 10
2.2.2.1 Hệ thống turbine gió tốc độ cố định 11
2.2.2.2 Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi, biến đổi toàn bộ công suất 12
2.2.2.3Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi, biến đổi một phần công suất 13
Trang 92.2.2.4Tổng quan về các kiểu turbine gió 14
2.3 Tổng quan về pin năng lượng mă ̣t trời 15
2.3.1 Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng của tương lai 15
2.3.2 Cấu trúc kết nội các tấm pin mặt trời 16
2.3.3 Các mô hình kết nối lưới trong hệ thống điện mặt trời một pha 19
2.4 Tổng quan về kết nối turbine gió và mă ̣t trời trong lưới điện Microgrid 21
CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT VÀ TÍNH TOÁN 3.1 Năng lượng gió và công suất turbine 23
3.1.1 Năng lượng gió 23
3.1.2 Hiệu suất turbine gió 26
3.1.3 Đường cong hiệu suất turbine gió 29
3.1.4 Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) 32
3.2 Pin năng lượng mặt trời và phương trình toán của pin năng lượng mặt trời 35
3.2.1 Phương trình tương đương của pin năng lượng mặt trời 35
3.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến pin năng lượng mặt trời 36
3.2.3 Phương trình tương đương của bộ pin năng lượng mặt trời 37
3.3 Mạch chỉnh lưu 39
3.4 Mạch nghịch lưu kết nối lưới điện phân phối 42
3.4.1 Phân loại bộ nghịch lưu 42
3.4.2 Phương pháp điều khiển các khóa công suất trong bộ nghịch lưu nguồn áp 42
3.4.3 Phương pháp điều khiển khóa công suất trong bô ̣ nghi ̣ch lưu nguồn dòng 47
Trang 10ix
CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH HÓA & MÔ PHỎNG
4.1 Sơ đồ kết nối máy phát điện gió và bộ pin năng lượng mặt trời vào
lưới điện phân phối 51
4.1.1 Khối turbine gió và máy phát điện 52
4.1.2 Khối chỉnh lưu 55
4.1.3 Khối bộ pin năng lượng mặt trời 56
4.1.4 Khối nghịch lưu 57
4.1.5 Khối lưới điện phân phối 58
4.1.6 Khối điều khiển pin NLMT 58
4.1.6.1 Nguyên lý hoạt động của khối MPPT 60
4.1.7 Khối điều khiển máy phát điện gió 65
4.1.7.1 Nguyên lý hoạt động khối MPPT của turbine gió 66
4.1.8 Khối điều khiển lưu trử năng lương (battery) 69
4.1.9 Khối phụ tải 70
4.2 Các khối chức năng 70
4.2.1 Khối PI_V 70
4.2.2 Khối PLL 71
4.2.3 Khối DC/AC 71
4.2.4 Khối điều khiển Hysteresis (điều khiển bang-bang) 72
CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ, KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 Trường hợp nghiên cứu và các kết quả 73
5.1.1 Trường hợp nghiên cứu 73
5.1.2 Kết quả mô phỏng nguồn DG nối lưới trong trường hợp nghiên cứu đã xét đến 75
5.1.2.1 Kết quả mô phỏng nguồn DG – năng lượng mặt trời nối lưới 76
5.2 Nhận xét và đánh giá 82
5.3 Các vấn đề được thực hiện trong luận văn 83
5.4 Đề nghị và các hướng phát triển của luận văn 84
TÀI LIỆU THAM KHẢO 85
Trang 11DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
MBA: Máy biến áp
IG: Induction generator (Máy phát điện không đồng bộ)
SG: Synchronous generator (Máy phát điện đồng bô)
HAWT: Horizontal Axis Wind Turbine (Turbine gió trục ngang)
VAWT: Vertical Axis Wind Turbine (Turbine gió trục đứng)
PMSG: Permanent Magnet Synchronous Generator (Máy phát điện đồng bộ
nam châm vĩnh cửu)
IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor
SPWM: Sinusoidal Pulse Width Modulation (Điều chế độ rộng xung)
MPPT: Maximum Power Point Tracking (Tìm điểm công suất cực đại) P&O: Perturb and observate (Phương pháp nhảy và so sánh)
PLL: Phase locked loops (Phương pháp sát định góc pha)
PV: Photovoltaic (Pin mặt trời)
PI: Proportional Integral (Điều khiển PI)
Trang 12xi
DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH TRANG
Chương 2:
Hình 2.1: Công nghệ điều khiển kết nối lưới điện tại Singapore và Hoa kỳ 7
Hình 2.2: Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió cơ bản 8
Hình 2.3: Hệ thống turbine gió tốc độ cố định 9
Hình 2.4: Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi 11
Hình 2.5: Hệ thống turbine gió thay đổi tốc độ với bộ biến đổi phía roto 13
Hình 2.6: Cấu tạo turbine gió trục đứng và trục ngang 13
Hình 2.7: Dự đoán các nguồn năng lượng sử dụng trong thế kỷ 21 15
Hình 2.8: Cấu trúc dạng mô đun 16
Hình 2.9: Cấu trúc dạng chuỗi 17
Hình 2.10: Cấu trúc dạng nhiều chuỗi 17
Hình 2.11: Cấu trúc dạng trung tâm 18
Hình 2.12: Mô hình kết nối lưới sử dụng bộ biến đổi DC/AC và máy biến áp cách ly 19
Hình 2.13: Mô hình kết nối lưới sử dụng bộ biến đổi DC/DC ,DC/AC 19
Hình 2.14: Mô hình kết nối lưới sử dụng bộ biến đổi DC/AC 20
Hình 2.15: Mô hình kết nối lưới sử dụng bộ biến đổi DC/AC 20
Chương 3: Hình 3.1: Năng lượng của khối không khí có mặt cắt ngang A 23
Hình 3.2: Biểu diễn luồng khí thổi qua một turbine gió lý tưởng 25
Hình 3.3: Góc pitch của cánh quạt gió 26
Hình 3.4: Giới hạn của hiệu suất rotor 28
Hình 3.5: Đường cong hiệu suất rotor 29
Hình 3.6: Công suất đầu ra phụ thuộc vào vận tốc gió , tốc độ turbine 30
Hình 3.7: Đường cong công suất lý tưởng của turbine gió 31
Trang 13Hình 3.8 Mô hình mạch điện tương đương trong hệ tọa độ dq của PMSG 34
Hình 3.9: Mạch điện tương đương của pin mặt trời 35
Hình 3.10: Mô hình pin mặt trời lý tưởng 37
Hình 3.11: Mô đun pin mặt trời 38
Hình 3.12: Đặc tính I-V với các bức xạ khác nhau 39
Hình 3.13: Đặc tính P-V với các bức xạ khác nhau 39
Hình 3.14: Mạch chỉnh lưu bán kì 40
Hình 3.15: Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha không điều khiển 41
Hình 3.16: Mạch chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển 41
Hình 3.17: Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha có điều khiển 41
Hình 3.18: Mạch chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển 41
Hình 3.19: Giản đồ xung kích bộ nghich lưu 1 pha SPWM 45
Hình 3.20: Giản đồ dòng và áp ngõ ra nghich lưu SPWM 46
Hình 3.21: Sơ đồ kết nối đơn giản của bộ nghịch lưu 3 pha 47
Hình 3.22: Dạng sóng dòng điện trong phương pháp điều khiển bang bang trên 1 pha 48
Hình 2.23: Giải thuật điều khiển bang bang trên một nhánh 48
Hình 3.24: Giải thuật điều khiển bang bang cải tiến 49
Chương 4: Hình 4.1 Sơ đồ kết nối 51
Hình 4 2 Sơ đồ tổng quát mạch mô phỏng 52
Hình 4.3: Sơ đồ kết nối máy phát điện gió với lưới điện thông qua bộ AC-DC/DC-AC 52
Hình 4 4Sơ đồ kết nối của khối turbinevà máy phát điện 52
Hình 4 5 Sơ đồ kết nối trong mô phỏng khốiturbine gió 53
Hình 4 6 Sơ đồ kết nối mô phỏng của khối máy phát điện nam châm vĩnh cửu 54
Hình 4 7 Mô hình mô phỏng của khối cơ khí trong PMSG 54
Trang 14xiii
Hình 4 9 Thông số kỹ thuật của PMSG 55
Hình 4 10 Sơ đồ kết nối mạch chỉnh lưu 56
Hình 4 11 Sơ đồ kết nối của khối năng lượng mă ̣t trời 56
Hình 4 12 Sơ đồ kết nối của khối nghịch lưu 57
Hình 4 13 Sơ đồ kết nối của khối lưới điện phân phối 57
Hình 4 14 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của mạch điện mô phỏng 58
Hình 4 15 Sơ đồ kết nối của khối điều khiển pin năng lượng mặt trời 59
Hình 4 16 Lưu đồ giải thuật P&O 60
Hình 4 17 Đặc tuyến V-P của pin mặt trời khi NLBXMT không đổi 61
Hình 4 18 Nguyên tắc hoạt động của bộ MPPT 62
Hình 4 19 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của mạch điện mô phỏng 63
Hình 4 20 Sơ đồ kết nối của khối điều khiển trong mạch mô phỏng 65
Hình 4 21 Nguyên tắc hoạt động của máy phát điện gió 65
Hình 4 22 Nguyên tắc hoạt động của giải thuật P&O 66
Hình 4 23 Lưu đồ giải thuật P&O 68
Hình 4.24 Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển battery 68
Hình 4.25 Mạch mô phỏng sơ đồ kết nối khối battery trong simulink 68
Hình 4.26 : Mô hình phụ tải 70
Hình 4 27 Sơ đồ kết nối của khối PI_V 71
Hình 4.28 Sơ đồ nguyên lí của khối PLL 71
Chương 5 Hình 5.1: Lưu đồ quá trình mô phỏng được đề xuất 74
Hình 5.2: Các tín hiệu từ bộ điều khiển trung tâm truyền đến các CB 75
Hình 5.3 Công suất tác dụng và phản kháng ngõ ra của máy phát điện gió 76
Hình 5.4: Điện áp DC trước nghịch lưu của máy phát điện gió 77
Hình 5.5: Công suất bộ pin năng lượng mặt trời hòa lưới 78
Hình 5.6: Giá trị điện áp và dòng điện DC ngõ ra bộ pin NLMT 79
Hình 5.7: Giá trị công suất nạp xả của battery 80
Trang 15Hình 5.8 Dạng sóng điện áp ngõ ra tại điểm kết nối chung ở
giá trị: a) biên độ đỉnh; b) rms 81 Hình 5.9: Dạng sóng điện áp ngõ ra từ t = 1.4s đến t = 2s 81
Trang 16Mô hình hóa và điều khiển một hệ thống tích hợp năng lượng gió & năng lượng mặt trời GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
1.1 Đặt vấn đề
Ngày nay, ngành công nghiệp điện đang có những bước tiến đột phá và phát triển đồng bộ từ các khâu: sản xuất, truyền tải và phân phối, cũng như đưa ra các phương thức vận hành và sử dụng điện sao cho hiệu quả, tiết kiệm Đặc biệt với hiệu ứng nóng lên của trái đất, sự cạn kiệt của các nguồn năng lượng hóa thạch, sự bùng nổ tăng trưởng của các nước đang phát triển Bên cạnh đó dân số ngày càng tăng, ước tính đến năm 2050 khoảng 9.5 tỷ người, nhiệt độ trung bình của trái đất
có thể tăng lên 600C Điều này dẫn đến yêu cầu bức thiết phải có những phương thức mới trong việc cung cấp và sử dụng nguồn năng lượng sao cho giảm thiểu sự phát thải khí CO2
Để có thể đạt được các mục tiêu trên, chúng ta phải xây dựng một hệ thống điện
và phương thức vận hành, cũng như trong kinh doanh có khả năng cho phép chỉ ra những nhà máy điện phải nâng cao hiệu suất, các loại nguồn năng lượng mới được khuyến khích phát triển như năng lượng mặt trời, gió, khí sinh học.v.v ở những địa điểm thích hợp Hệ thống mà chúng ta đang đề cập và phân tích đến là xây dựng mô hình và công nghệ điều khiển nối lưới cho lưới điện siêu nhỏ với các nguồn phát điện phân tán (DG), đây cũng là một phần trong mục tiêu phát triển hệ thống điều khiển lưới điện thông minh (Smart Grid) Hiện nay, ở một số quốc gia phát triển như: Đức, Hoa Kỳ, Singapore v.v đã triển khai và vận hành lưới điện siêu nhỏ với các nguồn phát điện phân tán
Mặt khác, để giải quyết các vấn đề này, một mặt chúng ta phải khai thác và sử dụng các nguồn năng lượng hóa thạch này một cách hợp lý, mặt khác chúng ta phải tìm ra các nguồn năng lượng khác để thay thế Thế giới đang tìm kiếm các nguồn năng lượng tái sinh có thể cung cấp năng lượng một cách bền vững trong tương lai, nguồn năng lượng ấy có thể kể đến như: năng lượng gió, năng lượng sinh khối,