Sử dụng tối ưu nguồn năng lượng gió và năng lượng mặt trời trong lưới điện MICROGRID

Nhưng để sử dụng một cách hiệu quả, tin cậy từ các nguồn năng lượng trên để sản xuất điện đáp ứng cho các hoạt động sản xuất đời sống hàng ngày, nội dungnghiên cứu trong luận văn này tập

NGUYỄN ANH TUÂN

SỬ DỤNG TỐI ƯU NGUỒN NĂNG LƯỢNG GIÓ

VÀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TRONG LƯỚI

ĐIỆN MICROGRID

LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện

Mã số ngành: 60520202

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 7 năm

2018

NGUYỄN ANH TUÂN

SỬ DỤNG TỐI ƯU NGUỒN NĂNG LƯỢNG GIÓ

VÀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TRONG LƯỚI

ĐIỆN MICROGRID

LUẬN VĂN THẠC SĨChuyên ngành: Kỹ Thuật Điện

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGUYỄN ANH TUÂN Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 28/11/1991 Nơi sinh: Phan Thiết – Bình Thuận Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện MSHV: 1641830022

I- Tên đề tài:

SỬ DỤNG TỐI ƯU NGUỒN NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TRONG LƯỚI ĐIỆN MICROGRID.

II- Nhiệm vụ và nội dung:

- Tìm hiểu hệ thống microgrid ở các nước phát triển

- Tìm hiểu các nguồn phát năng lượng sạch: năng lượng mặt trời và năng lượng gió

- Xây dựng chương trình điều khiển sử dụng ưu tiên từ nguồn năng lượng tái tạotrong hệ thống lưới điện microgrid

- Dùng phần mềm Matlad để mô phỏng hệ thống điều khiển của microgrid

III- Ngày giao nhiệm vụ: 09/01/2018

IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 16/07/2018

V- Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Thanh Phương

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ

ký)

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kếtquả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳcông trình nào khác

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này

đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồngốc

Học viên thực hiện Luận văn

(Ký và ghi rõ họ tên)

Nguyễn Anh Tuân

LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy Nguyễn ThanhPhương, người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, giúp đỡ em thực hiện và hoàn thànhluận văn này

Em xin cảm ơn đến quý thầy cô đã giảng dạy em trong thời gian học chươngtrình cao học tại lớp cao học 16SMĐ11 tại trường đại học Công nghệ TP.HCM

Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè đã luôn động viên tôitrong suất quá trình học tập và thực hiện luận văn

Nguyễn Anh Tuân

TÓM TẮT

Trong bối cảnh thời đại công nghiệp hóa hiện đại hóa, khi mà nhu cầu điệntăng cao để cung cấp cho các hoạt động sản xuất và sinh hoạt Bên cạnh đó thìnguồn nhiên liệu hóa thạch như than đá, dầu mỏ, khí đốt đã và đang đáp ứng phầnlớn nhu cầu năng lượng của con người thì không bền vững Việc sử dụng nhiên liệuhóa thạch là một trong những nguyên nhân chính gây ra biến đổi khí hậu và thậmchí làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người

Hơn nữa, các nguồn nhiên liệu nói trên đang dần cạn kiệt, vì vậy việc nghiêncứu và sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo như: năng lượng gió, năng lượng mặttrời hay năng lượng sinh khối là một nhu cầu tất yếu

Việc sử dụng năng lượng hiệu quả, đặc biệt là sử dụng năng lượng tái tạo sẽnâng cao chất lượng không khí cho người dân, giảm áp lực nhập khẩu nguồnnguyên liệu hóa thạch trong sản xuất điện

Theo các nghiên cứu mới nhất cho rằng nước ta là quốc gia có nguồn nănglượng tái tạo phong phú, đa dạng như năng lượng gió, mặt trời, năng lượng sinhkhối, Nhưng để sử dụng một cách hiệu quả, tin cậy từ các nguồn năng lượng trên

để sản xuất điện đáp ứng cho các hoạt động sản xuất đời sống hàng ngày, nội dungnghiên cứu trong luận văn này tập trung vào nghiên cứu hệ thống điều khiển tronglưới điện Microgrid, sử dụng tối ưu nguồn năng lượng tái tạo (từ năng lượng mặttrời, năng lượng gió) cung cấp cho tải

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC HÌNH vii

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1

1.1Đặt vấn đề 1

1.2Tính cấp thiết của đề tài 2

1.3Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu 2

1.4Phương pháp nghiên cứu: 3

1.5 Nội dung luận văn: 3

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU 4

2.1 Hệ thống Microgrid là gì? 4

2.2 Khái niệm hệ thống microgrid: 5

2.3 Cấu trúc và hoạt động của hệ thống Microgrid 7

2.3.1 Chế độ kết nối lưới: 8

2.3.2 Chế độ cô lập với lưới: 8

2.3.3 Chế độ sử dụng nguồn năng lượng tích trữ: 8

2.4 Tổng quan về năng lượng gió Việt Nam và tiềm năng phát triển 9

2.4.1 Thực trạng sử dụng năng lượng gió ở Việt Nam 10

2.4.2 Ảnh hưởng môi trường xung quanh sử dụng năng lượng gió 12

2.5 Tổng quan về năng lượng mặt trời tại Việt Nam và tiềm năng phát triển 14

2.5.1 Thực trạng sử dụng năng mặt trời ở Việt Nam 16

2.5.2 Ảnh hưởng môi trường xung quanh sử dụng năng lượng mặt trời 17

2.6 Tổng quan điện lưới Việt Nam 17

CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT VÀ TÍNH TOÁN 19

3.1 Pin năng lượng mặt trời và phương trình toán của pin năng lượng mặt trời 19

3.1.1 Pin năng lượng mặt trời 19

3.1.2 Phân loại pin mặt trời 19

3.1.3 Phương trình toán pin năng lượng mặt trời 20

3.1.4 Các bước thiết kế hệ thống pin năng lượng mặt trời 22

3.2 Năng lượng điện gió và phương trình toán của turbine điện gió 24

3.2.1 Năng lượng gió 24

3.2.2 Phân loại turbine gió 25

3.2.3 Cấu tạo turbine gió: 28

3.2.4 Nguyên lý hoạt động turbine gió 29

3.2.5 Phương trình toán turbine gió 30

3.2.6 Máy phát điện 32

3.3 Pin lưu trữ năng lượng (Battery) 33

3.3.1 Nguyên lý hoạt động của pin axít chì 34

CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG 36

4.1 Sơ đồ kết nối máy phát điện gió và bộ pin năng lượng mặt trời cung cấp cho tải qua bộ điều khiển microgrid 36

4.2 Khối pin năng lượng mặt trời mô phỏng Simulink/Matlab 37

4.3 Khối turbine gió 38

4.4 Khối điều khiển pin lưu trữ năng lượng (battery) 39

4.5 Khối microgrid control 40

4.5.1 Thuật toán điều khiển 42

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 43

5.1 Trường hợp khi thay đổi công suất của turbine gió và pin mặt trời 43

5.1.1 Trường hợp nghiên cứu 43

5.1.2 Kết quả mô phỏng khối pin năng lượng mặt trời 43

5.1.3 Kết quả mô phỏng turbine gió 44

5.1.4 Kết quả mô phỏng của Battery 44

5.2 Trường hợp khi thay đổi công suất turbine gió 45

5.2.1 Trường hợp nghiên cứu 45

5.2.2 Kết quả mô phỏng khối pin năng lượng mặt trời 45

5.2.3 Kết quả mô phỏng turbine gió 46

5.2.4 Kết quả mô phỏng của Battery 47

5.3 Điện áp ngõ ra 48

6.1 Kết luận và đánh giá 50

6.2 Các vấn đề được thực hiện trong luận văn 50

6.3 Đề nghị và các hướng phát triển của luận văn 50

TÀI LIỆU THAM KHẢO 51

DANH MỤC CÁC HÌNH

HÌNH 2.1: MÔ HÌNH HỆ THỐNG MICROGRID 4

HÌNH 2.2 : MÔ PHỎNG HỆ THỐNG MICROGRID CÔNG SUẤT 500 KW 6

HÌNH 2.3: SƠ Đ Ồ K Ế T NỐI H Ệ THỐ N G M I CROGR I D V Ớ I LƯỚ I 7

HÌNH 2.4: BẢN ĐỒ P HÂN BỐ TỐC Đ Ộ G I Ó VIỆT N AM Ở ĐỘ C AO 80 M 9

HÌNH 2.5: BẢN ĐỒ TIỀM NĂNG ĐIỆN MẶT TRỜI Ở VIỆT NAM 15

HÌNH 2.6: BẢN ĐỒ H Ệ THỐ N G ĐIỆN 5 0 0 KV VIỆT N A M Đ ẾN NĂM 20 3 0 18

HÌNH 3.1: PHÂN L O ẠI PIN M ẶT T R ỜI 19

HÌNH 3.2: QUY TRÌNH TẠO MODULE 20

HÌNH 3.3: CẤU TẠO MODULE 20

HÌNH 3.4: MẠCH ĐIỆN TƯƠNG ĐƯƠNG PIN MẶT TRỜI 21

HÌNH 3.5: MẠCH TƯƠNG ĐƯƠNG CỦA TẾ BÀO QUANG ĐIỆN 21

HÌNH 3.6: CƯỜ N G Đ Ộ BỨC XẠ T Ớ I T ẤM PIN 23

HÌNH 3.7: GÓC TIA BỨC XẠ MẶT T RỜI ĐẾN T Ấ M PIN 23

HÌNH 3.8: HÌNH THÀNH GIÓ TRÊN TRÁI ĐẤT 24

HÌNH 3.9: NĂNG L Ư ỢNG GIÓ QUA MẶT PHẲNG HÌNH T RÒN 25

HÌNH 3.10: TURBINE GIÓ TRỤC ĐỨNG Ở CÁC NƯỚC CHÂU ÂU 26

HÌNH 3.11: TURBINE GIÓ TRỤC NGANG Ở TUY PHONG - BÌNH THUẬN 26

HÌNH 3.12: CẤU TẠO TURBINE GIÓ TRỤC NGANG 28

HÌNH 3.13: GÓC PITCH CÁNH QUẠT GIÓ 30

HÌNH 3.14: GIỚI HẠN VÀ HIỆU SUẤT ROTOR 32

HÌNH 3.15: CẤU HÌNH PIN BATTERY 35

HÌNH 3.16: MẠCH TƯƠNG ĐƯƠNG PIN BATTERY 35

HÌNH 4.1: SƠ Đ Ồ K Ế T NỐI HỆ T HỐ N G M I CROGR I D 36

HÌNH 4.2: SƠ ĐỒ KẾT NỐI HỆ THỐNG MICROGRID (MATLAB/SIMULINK) 36 HÌNH 4.3: SƠ ĐỒ KHỐI PIN NLMT (MATLAB/SIMULINK) 37

HÌNH 4.4: SƠ ĐỒ KHỐI TURBIN GIÓ (MATLAB/SIMULINK) 38

HÌNH 4.5: SƠ ĐỒ KHỐI BATTERY (MATLAB/SIMULINK) 39

HÌNH 4.6: KHỐI MICOGRID CONTROL IN MATLAB/SIMULINK 40

HÌNH 4.7: SƠ Đ Ồ T H UẬT TO Á N ĐI Ề U K H IỂN 42

HÌNH 5.1: CÔNG SUẤT PIN MẶT TRỜI (1) 43

HÌNH 5.2: CÔNG SUẤT TURBINE GIÓ (1) 44

HÌNH 5.3: CÔNG SUẤT CỦA BATTERY (1) 44

HÌNH 5.4: CÂN BẰNG CÔNG SUẤT CHO TẢI (1) 45

HÌNH 5.5: CÔNG SUẤT PIN MẶT TRỜI (2) 46

HÌNH 5.6: CÔNG SUẤT TURBINE GIÓ (2) 47

HÌNH 5.7: CÔNG SUẤT CỦA BATTERY (2) 47

HÌNH 5.8: CÂN BẰNG CÔNG SUẤT CHO TẢI (2) 48

HÌNH 5.9: ĐIỆN ÁP NGÕ RA DC CỦA PIN MẶT TRỜI 48

HÌNH 5.10 ĐIỆN ÁP NGÕ RA DC CỦA TURBINE GIÓ 49

HÌNH 5.1 1 : ĐIỆN ÁP NGÕ RA CU N G CẤP CHO TẢI 49

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

1.1 Đặt vấn đề

Điện và thông tin liên lạc điện tử là một trong những công nghệ chính đónggóp đáng kể vào sự phát triển nhanh chóng của nền văn minh nhân loại trong thế kỷ

XX Đặc biệt trong thời đại hiện nay, nhu cầu về điện cho tất cả các lĩnh vực kinh

tế, sản xuất, đời sống sinh hoạt ngày càng tăng cao Sự thiếu hụt năng lượng đã phảiđối mặt trong nhiều quốc gia gần đây đã trực tiếp ảnh hưởng kinh tế, xã hội, pháttriển của đất nước Nhu cầu năng lượng ngày càng tăng theo cấp số nhân trên toànthế giới và tiết kiệm năng lượng đã trở thành một nhu cầu của thời đại Các hệ thốngphân phối truyền tải điện vẫn còn vận hành theo phương cách nhiều thập kỷ trước.Thiếu sự đầu tư cho việc cài đặt mới kết hợp với các thành phần mạng (lưới điệnhiện hành trên 40 tuổi) đã dẫn đến hệ thống điện không hiệu quả và ngày càngkhông ổn định

Thực tế cho thấy ngành điện cần phải được thay đổi để đáp ứng với nhu cầucủa xã hội kỹ thuật số hiện đại Khách hàng không chỉ yêu cầu về lượng điện đơnthuần cho sản xuất và sinh hoạt mà còn yêu cầu về chất lượng, độ tin cậy và cần cónhiều dịch vụ cung ứng điện để chọn lựa Và đồng thời giá điện ngày càng tăng làmột trong những vấn đề đáng quan tâm hiện nay

Bên cạnh đó, mọi người ngày càng nhận ra những ảnh hưởng tiêu cực đối vớimôi trường khi con người đốt các loại năng lượng hóa thạch để sản xuất điện, thiêntai xảy ra nhiều hơn với cường độ phá hoại ngày càng nghiêm trọng hơn và các nỗlực đang được xây dựng trên nhiều lĩnh vực để giảm thiểu sự phát thải CO2 Sựnóng lên của trái đất do việc sử dụng năng lượng theo cách hiện nay đang được cho

là quá sức chịu đựng của trái đất vào năm 2050 với dân số khoảng 9,5 tỷ người Do

đó tình hình biến đổi khí hậu hiện nay gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến ngành điện,đặc biệt là việc cung cấp điện Nguồn nhiên liệu hóa thạch cũng sẽ cạn kiệt và đất

nước chúng ta là phụ thuộc khá nhiều vào tài nguyên thiên nhiên hữu hạn cho các nhà máy điện.

Điều này như một lời cảnh tỉnh nghiêm trọng, bởi đó không chỉ ảnh hưởngđến việc giải quyết các vấn đề kinh tế mà còn gây tác động đến khí hậu và ô nhiễm

Từ đó hệ thống lưới điện siêu nhỏ (Microgrid) được hình thành và nhận đượcnhiều sự chú ý trên thế giới, vì hiệu quả của các hệ thống này Microgrid là một hệthống năng lượng địa phương được tạo ra ở khu vực nhỏ, hoạt động độc lập với vớimạng lưới năng lượng lớn hơn và có thể tái tạo, dự trữ năng lượng

1.2 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay các nguồn nhiên liệu hóa thạch như than đá, dầu mỏ, khí đốt đã vàđang đáp ứng phần lớn nhu cầu năng lượng của con người nhưng nó tác động lạivới khí hậu toàn cầu Biểu hiện rõ nhất là sự nóng lên của trái đất, là băng tan, nướcbiển dâng cao, các hiện tượng thời tiết bất thường, bão lũ, sóng thần, động đất, hạnhán và giá rét kéo dài dẫn đến thiếu lương thực, thực phẩm Việt Nam là mộtquốc gia ven biển nên chịu ảnh hưởng trực tiếp từ hiện tượng nước biển dâng

Nguyên nhân chính gây ra sự biến đổi khí hậu là do tác động của con người,

đó là sự gia tăng khí CO2 trong khí quyển do khai thác và sử dụng năng lượng hóathạch Trong khi đó, hầu hết các hoạt động liên quan đến NLTT bao gồm sản xuất,lắp đặt, vận hành lại tạo ra ít khí nhà kính so với nguồn nhiên liệu hóa thạch Vìvậy, để giảm biến đổi khí hậu, năng lượng cần chuyển dịch từ dạng không bền vữngsang dạng năng lượng bền vững

1.3 Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu lí thuyết có liên quan đến đề tài, tìm hiểu các máy phát từ nguồnnăng lượng mặt trời và năng lượng gió ưu tiên sử dụng nguồn năng lượng tái tạo,giảm thiểu sử dụng năng lượng điện từ lưới

Nghiên cứu mô hình điều khiển hệ thống microgrid, dựa trên theo dõi côngsuất nguồn phát để điều khiển bù công suất cho tải

1.4 Phương pháp nghiên cứu:

Thu thập tài liệu liên quan đến các vấn đề nghiên cứu

Nghiên cứu tổng quan về năng lượng mặt trời và năng lượng gió

Nghiên cứu các thông số ảnh hưởng đến hoạt động của pin mặt trời, máyphát điện gió

Xây dựng chương trình điều khiển hệ thống ổn định công suất đáp ứng cho phụ tải, khi có ảnh hưởng môi trường làm giảm công suất từ máy phát

Mô phỏng Matlab hệ thống điều khiển Microgrid

1.5 Nội dung luận văn:

Luận văn được tổ chức thành 6 phần: Chương 1, Chương 2, Chương 3,Chương 4, Chương 5 và Chương 6 Cụ thể các phần như sau:

Chương 1: Giới thiệu.

Chương 2: Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu.

Chương 3: Khảo sát và tính toán

Chương 4: Mô hình hóa và mô phỏng.

Chương 5: Kết quả mô phỏng.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển.

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU

2.1 Hệ thống Microgrid là gì?

Lưới điện siêu nhỏ (Microgrid - MG) là một hệ thống bao gồm các nguồnnăng lượng có công suất nhỏ và phát điện phân tán (Distributed Energy Resources –DER) như: nguồn pin mặt trời, pin nhiên liệu, turbine gió, microturbine vv Ngoài

ra còn có các hệ thống đo lường và các phụ tải Công nghệ điều khiển cho lưới điệnsiêu nhỏ có thể hoạt động độc lập hoặc tích hợp chúng vào lưới điện phân phối,thông qua hệ thống điều khiển và giám sát như (hình 2.1), nhằm hướng đến pháttriển lưới điện thông minh và điều khiển nối lưới linh hoạt

Hình 2.1: Mô hình hệ thống Microgrid

2.2 Khái niệm hệ thống microgrid:

Việc hình thành microgrid được dựa trên khả năng kiểm soát các hoạt độngcủa hệ thống, gồm các máy phát điện của turbine gió, pin năng lượng mặt trời, cùngvới các thiết bị lưu trữ,

Khả năng kiểm soát cho phép mạng lưới phân phối vẫn hoạt động khi bị táchkhỏi lưới điện chính, trong trường hợp có sự cố, do sự cố, hoặc là ưu tiên cho cácnguồn cung cấp từ năng lượng tái tạo để bảo vệ môi trường, từ đó tăng độ tin cậycho hệ thống

Hệ thống microgrid có thể vận hành ở cả hai trạng thái: trạng thái bìnhthường (nối lưới) và trạng thái cách li (cô lập)

+ Thông thường các microgrid vận hành trong trạng thái kết nối lưới trừtrường hợp tại các đảo Vì vậy lợi ích của các microgrids sinh ra chủ yếutrong trạng thái này

+ Để có thể vận hành lâu dài trong chế độ cách li, microgrid phải thỏa mãncác yêu cầu cao về dung lượng lưu trữ và công suất phát của các nguồn phân

bố để đảm bảo cấp điện liên tục hoặc phải thực hiện các biện pháp giảm tảiphù hợp

Khác nhau giữa microgrid và một lưới điện thụ động chủ yếu là việc quản lý

và vận hành các nguồn, tài nguyên

+ Việc vận hành Microgrid bao gồm điều khiển các nguồn phát, quản lý hệthống dịch vụ, điều khiển tải, giảm thải ra môi trường Các yếu tố này ảnhhưởng tất cả các mặt: kinh tế, kỹ thuật, môi trường

+ Ưu điểm nổi bật khác của Microgrid còn là khả năng tối ưu hóa, mang lạilợi ích tốt nhất cho tất cả các bên

Hệ thống điện không có tổ chức của Microgrid nếu thiếu đi một trong nhữngnhân tố thiết yếu sau:

+ Phụ tải: Do người sử dụng là nhân tố vừa là nơi tiêu thụ năng lượng vàcũng là cung cấp năng lượng (thông qua các nguồn năng lượng phân bố), để

từ đó đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện Hệ thống có thể vận hành ở trạng thái kết nối lưới hoặc cô lập (islanded modes).

+ Nguồn năng lượng phân bố (Microsource): năng lượng mặt trời, gió, fuel cell và cả hệ thống tích trữ năng lượng

+ Hệ thống giám sát và điều khiển: Điều khiển microgrid sẽ buộc người tiêu dùng phải thay đổi nhu cầu của họ, tùy thuộc vào năng lượng tái tạo sẵn có Theo ý tưởng của Microgrid, việc vận hành sẽ được tái cấu trúc với việcthêm vào các tính năng: bộ đo đếm điện năng, truyền thông và các thiết bị điềukhiển để chuyển từ tình trạng “thụ động” ở lưới điện truyền thống chuyển sang tìnhtrạng “tích cực” ở lưới điện Microgrid

+ Giảm thiểu ô nhiễm môi trường: đây là một trong những yêu cầu thiết yếuhình thành Microgrid ban đầu là giảm ô nhiễm môi trường

Các nhân tố tham gia vào hệ thống Microgrid:

+ Nguồn năng lượng phân bố (DER): mặt trời, giò, fuel cell

+ Hệ thống tích trữ năng lượng (Energy storage): pin, siêu tụ, bánh đà(flywheels)…

+ Hệ thống lưới truyền tải bao gồm cả hệ thống truyền thông để thực hiện giao tiếp và giám sát như: MGCC, MC, hệ thống quản lý DMS

Hình 2.2 : Mô phỏng hệ thống microgrid công suất 500 KW

2.3 Cấu trúc và hoạt động của hệ thống Microgrid

Hệ thống Microgrid có khả năng kết nối lưới hoặc cô lập với lưới khi lướiđiện có sự cố

Hình 2.3: Sơ đồ kết nối hệ thống Microgrid với lưới

Cơ cấu gồm các nguồn năng lượng phân bố DGs như năng lượng mặt trời,năng lượng gió, microturbin, nguồn năng lượng nhiệt lấy từ năng lượng tái tạo, và

hệ thống tích trữ năng lượng (DS) Lưới điện của Microgrid sẽ liên kết với mộtthanh cái chung PCC để liên kết giữa các nguồn phái DGs, DS với các phụ tải nhưkhu dân cư, các tòa nhà, trường học, cụm công nghiệp

Hệ thống điện tử công suất sẽ được sử dụng trong hệ thống để chuyển đổicác nguồn năng lượng tái tạo cung cấp cho các phụ tải tiêu thụ Như chuyển đổi

DC/AC hay AC/AC, AC/DC/AC tùy thuộc vào lưới Microgrid có cấu trúc: DCMicrogrid hay AC Microgrid.

2.3.1 Chế độ kết nối lưới:

Chế độ này hoạt động như sau, chuyển đổi kết nối các nguồn điện song songvới các nguồn khác để cung cấp tải cục bộ và có thể sử dụng hoặc cung cấp điện từlưới điện chính

Kết nối song song của máy phát điện được quản lý bởi các tiêu chuẩn quốcgia Các tiêu chuẩn yêu cầu là việc kết nối phải đảm bảo điện áp kết nối tại điểm kếtnối chung PCC, cũng như đảm bảo chất lượng điện năng như giới hạn độ méo dạngsóng hài THD là nhỏ nhất

2.3.2 Chế độ cô lập với lưới:

Ở chế độ này các bộ biến đổi công suất sẽ vẫn tiếp tục cung cấp năng lượng

từ các nguồn năng lượng phân bố cho các phụ tải thuộc hệ thống Microgrid khi lướiđiện chính bị ngắt kết nối

Trong chế độ này các bộ biến đổi công suất sẽ đảm nhiệm vai trò duy trì điện

áp và tần số, trong điều kiện có sự mất cân bằng về phụ tải và chất lượng điện năngsuy giảm Do sự suy giảm công suất từ nguồn cung cấp, nên trong trường hợp nàylưới Microgrid có thể sẽ sa thải một số phụ tải không quan trọng để đảm bảo sự ổnđịnh và chất lượng cung cấp điện cho lưới

2.3.3 Chế độ sử dụng nguồn năng lượng tích trữ:

Trong một microgrid, pin lưu trữ, hoặc các thiết bị lưu trữ năng lượng khác

là cần thiết để xử lý nhiễu về điện áp và tần số và sự thay đổi đột ngột của phụ tải.Nói cách khác, lưu trữ năng lượng là cần thiết để thích ứng với các thay đổi giữacung và cầu, do đó cải thiện độ tin cậy của các Microgrid Bộ biến đổi công suất sau

đó có thể được sử dụng như một bộ sạc pin

2.4 Tổng quan về năng lượng gió Việt Nam và tiềm năng phát triển

Việt Nam nằm trong vùng khí hậu gió mùa và được định hình bởi đường bờbiển dài hơn 3.260km, Việt Nam có tiềm năng lớn trong phát triển điện gió, vớicông suất ước tính vào khoảng 24GW Nằm trong khu vực cận nhiệt đới gió mùavới đường bờ biển trải dài, Việt Nam có nhiều thuận lợi để phát triển năng lượngđiện gió Cùng với nguồn năng lượng tái tạo từ mặt trời thì năng lượng điện gióđược kỳ vọng là một giải pháp giúp nâng cao sản lượng điện của Việt Nam trongnhững năm tới

Hình 2.4: Bản đồ phân bố tốc độ gió Việt Nam ở độ cao 80 m

Một nghiên cứu của Ngân hàng Thế giới (WB) cũng cho thấy 8,6% diện tích đất liền của Việt Nam rất giàu tiềm năng, thuận lợi cho việc lắp đặt các tua-bin giólớn.

Đặc biệt, theo số liệu khảo sát năng lượng gió gần đây của Tổ chức Hợp tácPhát triển Đức (GIZ), tại vùng Đồng bằng sông Cửu Long những vùng ven biển,ngoài khơi thuộc các tỉnh Bạc Liêu, Cà Mau, Sóc Trăng, Trà Vinh, Bến Tre cótiềm năng gió rất cao, dễ khai thác và rất thuận lợi cho việc đầu tư các dự án điệngió Với thuận lợi về mặt địa hình như vậy và điều kiện gió biển ven bờ mạnhkhoảng 6-7 mét/giây ở độ cao 80 mét (chiều cao các cột điện gió hiện đã lắp đặt ởBạc Liêu) thì tiềm năng khai thác năng lượng điện gió ven bờ biển tại khu vực này

có thể đạt từ 1.200-1.500 MW Bên cạnh đó, cũng theo các nghiên cứu khảo sát,việc đầu tư xây dựng các dự án điện gió ở các tỉnh ven biển khu vực Đồng bằngsông Cửu Long có nhiều lợi thế như:

- Khu vực ven biển các vùng trên có tốc độ gió rất cao, trung bình từ 6,5 đến7m/s Những tháng cao điểm lên tới 11m/s và đón được các hướng gió chính (theo biểu đồ dữ liệu đo gió của GIZ)

- Về đất đai, các địa phương trên có chiều dài bờ biển, vùng đất bãi bồi,không dân cư sinh sống thuận lợi cho vận chuyển tập kết vật tư, thiết bị để xây dựngnhà máy hiện tại và mở rộng trong tương lai

- Về hạ tầng, có các đường điện 110kV hiện hữu rất thuận lợi cho việc đấunối điện của dự án vào lưới điện quốc gia

- Về nguồn lao động dồi dào, thuận lợi cho việc sử dụng để thực hiện dự án

2.4.1 Thực trạng sử dụng năng lượng gió ở Việt Nam

Cho đến nay, có khoảng 48 dự án điện gió đã đăng ký trên toàn bộ lãnh thổViệt Nam tập trung chủ yếu ở các tỉnh miền Trung và Nam bộ, với tổng công suấtđăng ký gần 5.000 MW, quy mô công suất của các dự án từ 6 MW đến 250 MW

Tuy nhiên, hiện nay do suất đầu tư của dự án điện gió vẫn còn khá cao, trongkhi giá mua điện gió là khá thấp 1.614 đồng/ kWh (tương đương khoảng 7,8UScents/ kWh), cao hơn 310 đồng/ kWh so với mức giá điện bình quân hiện nay là

1.304 đồng/ kWh, được xem là chưa hấp dẫn các nhà đầu tư điện gió trong và ngoàinước.

Do vậy, cho đến nay mới chỉ duy nhất một dự án điện gió ở Xã Bình Thạnh,huyện Tuy Phong, tỉnh Bình Thuận là hoàn thiện giai đoạn 1 (dự kiến nâng tổngcông suất lên 120 MW trong giai đoạn 2 từ 2011 đến 2015), với công suất lắp đặt

30 MW (20 tuabin gió x 1,5 MW mỗi tua bin) Tổng mức đầu tư của dự án lên đến1.500 tỷ đồng (tương đương khoảng 75 triệu USD), các thiết bị tuabin gió sử dụngcủa Công ty Fuhrlaender Đức Dự án chính thức được nối lên lưới điện quốc giavào tháng 3 năm 2011 Sản lượng điện gió năm 2011 đạt khoảng 79.000 MWh

Trên đảo Phú Quý, tỉnh Bình Thuận, dự án điện gió lai tạo với máy phát điệndiesel (diesel generator) (off-grid connection), của Tổng Công ty Điện lực Dầu khí,thuộc Tập đoàn Dầu khí Việt Nam (Petro Vietnam), có tổng công suất là 9 MW(gồm 3 tuabin gió x 2 MW mỗi tuabin + 6 máy phát diesel x 0,5 MW mỗi máy phát)

đã lắp đặt xong và đang trong giai đoạn nối lưới Các tuabin gió sử dụng của hãngVestas, Đan Mạch Giá bán điện đang đề xuất thông qua hợp đồng mua bán điện vớigiá 13 US cents/ kWh Giá mua điện này được đánh giá là hấp dẫn do đặc thù dự án

ở ngoài đảo

Tương tự, một dự án điện gió ở Côn Đảo, tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu do Công

ty EAB CHLB Đức làm chủ đầu tư, giá bán điện thoả thuận là 25 UScents/ kWh

Dự án đang chuẩn bị tiến hành xây dựng

Tại tỉnh Bạc Liêu, vùng đồng bằng Sông Cửu Long một dự án điện gió khácthuộc công ty TNHH Thương mại và Dịch vụ Công Lý cũng đang trong giai đoạnlắp đặt các tuabin gió (1 tuabin gió đã được lắp đặt) với công suất 16 MW trong giaiđoạn đầu (10 tuabin gió x 1.6 MW mỗi tuabin của hãng GE Mỹ) Dự kiến trong giaiđoạn 2 của dự án công suất sẽ nâng lên 120 MW (từ năm 2012 đến đầu năm 2014)

Dự kiến, sau khi hoàn thành cả hai giai đoạn, sẽ có 62 turbin điện gió với tổng côngsuất là 99MW và điện năng sản xuất mỗi năm khoảng 320 triệu kWh Cả 62 cộttháp và turbin điện gió đều được đặt trên biển

2.4.2 Ảnh hưởng môi trường xung quanh sử dụng năng lượng gió

+ Tác động đến môi trường

Cánh đồng gió sử dụng nguồn năng lượng từ gió để tạo ra điện năng, là nănglượng tái tạo và thuộc loại điện sạch vì không phát thải khí nhà kính, không làmthay đổi khí hậu toàn cầu, không tạo ra chất gây ô nhiễm môi trường

Tuy nhiên nhưng để xây dựng nhà máy điện gió buộc phải có diện tích đấtrộng lớn, nhưng cánh đồng gió phát triển kèm theo sự thay đổi cảnh quan sinh tháitại khu vực đó

sử dụng máy phát điện nam châm vĩnh cửu không dùng hộp số

Độ ồn phát sinh ngoài yếu tố thiết kế và sản xuất còn lệ thuộc vào mật độ củakhông khí, tốc độ gió và độ cao của hệ thống cánh quạt Độ ồn thông thường tại tâm

hệ thống cánh của turbine điện gió có công suất từ 2 đến 3 MW ở khoảng 98 đến

109 dB

+ Ảnh hưởng đến các loài chim và động vật.

Những turbin gió ảnh hướng đến động động vật tại nơi đó, ít nhiều thay đổitập quán sinh sống, luồn di cư của đàn chim

+Ảnh hưởng đến sóng vô tuyến.

Tua-bin điện gió có lớp sơn bảo vệ mờ không bị phản chiếu ánh sáng nhưngvẫn bị nhiễu (interference) do phản chiếu sóng điện từ (electromagnetic waves) củasóng phát thanh truyền hình và truyền thanh không dây cũng như sóng của mạngthông tin di động và chủ yếu là những hệ thống analog

Tuy nhiên sự can nhiễu này rất thấp và không đáng kể, đặc biệt là đối vớicánh quạt của những tua-bin điện gió hiện đại được thiết kế bằng vật liệu gần nhưkhông tác động vào sóng vô tuyến.

+ Ảnh hưởng đến đường hàng không.

Tua-bin điện gió có thể được cho là nguyên nhân gây trở ngại cho đườnghàng không, đặc biệt là gây can nhiễu đến hệ thống thông tin lưu động hàng không.Thông thường trong bán kính khỏang 10 km tính từ trung tâm của sân bay, việc xâydựng Cánh đồng điện gió phải có sự đồng ý của cơ quan quản lý hàng không

Tuy nhiên dù Cánh đồng điện gió được xây dựng tại bất kỳ nơi nào, mỗi trụtua-bin điện gió lắp đặt phải có đèn tín hiệu luôn luôn họat động hòan chỉnh, vì thếnhững ánh đèn tín hiệu này có thể gây ra cảm giác khó chịu khi khoảng cách nhấtđịnh đến khu dân cư ít hơn 300 mét

+ Ảnh hưởng đến sức khỏe con người.

Tua-bin điện gió được lắp đặt tại những nơi xa sự họat động của con ngườinên ngoài tai nạn có thể xảy ra với nguời lao động làm việc hoặc trong Cánh đồngđiện gió không ảnh hưởng đến sức khỏe của con người

Thế nhưng cánh đồng điện gió có thể là những nơi tham quan thú vị nên một

số ảnh hưởng dù nhỏ vẫn có thể xảy ra vẫn phải đề cập đến như khả năng cánh quạt

bị gẫy

- Khả năng cánh quạt bị gẫy

Khi tua-bin điện gió họat động, cánh quạt có thể bị gẫy do những nguyênnhân như bị sét đánh trực tiếp vào thân cánh, hoặc khi do lỗi thiết kế thiếu chính xác

về dung sai độ cong của cánh quạt và vật liệu kém chất lượng, hoặc khi cánh quạthọat động ở tốc độ gió cao bị cong đụng vào thân trụ, hoặc do độ bền mỏi của vậtliệu cánh quạt không đáp ứng yêu cầu kỹ thuật, hoặc khi cánh quạt quay mất thăngbằng và tần số rung của hệ thống cánh quạt và trụ bị cộng hưởng

2.5 Tổng quan về năng lượng mặt trời tại Việt Nam và tiềm năng phát triển

Lãnh thổ Việt Nam kéo dài từ vĩ độ 8-23 vĩ độ Bắc, nằm trong khu vự nhiệtđới, có tiềm năng lớn về năng lượng mặt trời Số giờ năng trung bình năm tại cácvùng miền có sự khác nhau tùy vào điều kiện địa hình và thời tiết, tuy nhiên, nhìnchung số giờ năng khá cao và năng lượng qui đổi trên mỗi đơn vị diện tích thuộchàng cao trên thế giới

Theo kết quả đánh giá từ Viện Năng lượng Việt Nam với vai trò là đơn vị tưvấn trong nước và Viện Becquerel là đơn tư vấn quốc tế (Bảng 2.1), đã một lần nữakhẳng định Việt Nam là quốc gia có tiềm năng dồi dào để phát triển điện mặt trời,đặc biệt ở khu vực miền Trung và Nam

Bảng 2.1: Phân bố năng lượng mặt trời tại các vùng trên lãnh thổ Việt Nam

Bức xạ mặt trời là một nguồn tài nguyên vô cùng quan trọng tại Việt Nam.Trung bình, tổng bức xạ năng lượng mặt trời ở Việt Nam vào khoảng4.6kWh/m2/ngày ở các tỉnh Miền Trung và Miền Nam, và thấp hơn ở các tỉnh MiềnBắc

Theo bản đồ tiềm năng điện mặt trời (hình 2.4) ta thấy được trung bình hằngnăm các tỉnh miền Trung và phía Nam sản sinh mức điện 1534 – 1680 kwh/năm Vàcác tỉnh phía Bắc từ 1095-1387kWh/năm

Hình 2.5: Bản đồ tiềm năng điện mặt trời ở Việt Nam

Với tiềm năng rất lớn về năng lượng mặt trời, có thể nói Việt Nam hiện đang

có thế mạnh về nguồn năng lượng sạch so với các nước khác trên thế giới

Kết quả khảo sát từ WorldBank, nguồn năng lượng mặt trời có thể sản sinh tại thành phố Hồ Chí Minh là rất cao 5,022kWh/m2 , trung bình một năm sinh ra

được 1833kW/m2/năm Đỉnh điểm là 1867kW/m2/năm nếu các tấm pin được lắp chính hướng Bắc – Nam và không bị khuất bóng

Tiêu biểu, một hệ thống 5,12kWp được lắp đặt tại thành phố Hồ Chí Minh sẽtạo ra được 8410kWh/năm Với lượng điện năng được tạo ra lớn như thế này, một

hộ gia đình sử dụng hệ thống điện mặt trời, hằng năm có thể tiết kiệm được18.202.140 VND/ năm

Kết quả nghiên cứu sơ bộ cho thấy, tổng tiềm năng kinh tế của các dự ánđiện mặt trời trên mặt đất tại Việt Nam đạt ít nhất 7 GW vào năm 2020 Tiềm năngnày vượt xa mục tiêu quốc gia là 0,8 GW vào năm 2020

2.5.1 Thực trạng sử dụng năng mặt trời ở Việt Nam

Với tiềm năng lớn về năng lượng mặt trời, Việt Nam là một nước có nhiều ưuthế trong việc phát triển sử dụng các thiết bị dùng năng lượng mặt trời Trong đó,đun nước nóng là ứng dụng hiệu quả nhất Tuy nhiên ở nước ta, năng lượng mặt trờichủ yếu đang được ứng dụng trong quy mô nhỏ như hộ gia đình, làng mạc vùng sâuvùng xa hay trong khách sạn, nhà hàng… Đối với quy mô lớn như công nghiệp thìcòn rất hạn chế.

Với sự phát triển mạnh mẽ trong những năm vừa qua, nhu cầu về điện năngcủa Việt Nam đã tăng thêm khoảng 15% mỗi năm Tuy nhiên lĩnh vực điện năngđang chủ yếu dựa vào nhiệt điện và thủy điện Về tổng thể, điện mặt trời chỉ chiếmmột phần rất nhỏ trong tổng lượng điện toàn quốc và chủ yếu được sản xuất để được

áp dụng ở khu vực nông thôn miền núi, vùng sâu vùng xa và biển đảo

Hầu hết các module năng lượng mặt trời là nhập khẩu Các linh kiện như bộđiều khiển, biến tần, có thể sản xuất trong nước; điều đó gián tiếp làm tăng chi phíđầu tư vào nguồn năng lượng mặt trời Hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới cònkhá mới mẻ, chỉ có một vài hệ thống thí điểm quy mô nhỏ như 150kW ở trung tâmhội nghị quốc gia Hà Nội

Tình hình phát triển năng lượng mặt trời chưa xứng tầm với tiềm năng sẵn cócủa nó Nhiều dự án đầu tư vào khai thác nguồn năng lượng vẫn chưa thực hiện

2.5.2 Ảnh hưởng môi trường xung quanh sử dụng năng lượng mặt trời

+ Tác động đến nguồn tài nguyên đất, nước và không khí.

Việc xây dựng các cơ sở năng lượng mặt trời trên diện tích đất rộng lớn đòihỏi phải san phẳng diện tích đất đó, làm đất xói mòn, thay đổi các kênh thoát nước

và sự xói mòn gia tăng Các hệ thống tháp trung tâm đòi hỏi phải sử dụng nước đểlàm mát, đây là mối quan tâm của các khu vực khô cằn vì nhu cầu về nước tăng lên

có thể làm cạn kiệt các nguồn tài nguyên nước cũng như sự thải ra chất lỏng từ các

cơ sở có thể gây nhiễm bẩn nước ngầm hoặc mặt đất

Cùng với sự phát triển của bất kỳ cơ sở công nghiệp quy mô lớn nào, việc xâydựng các nhà máy điện năng lượng mặt trời có thể gây nguy hiểm cho chất lượngkhông khí

2.6 Tổng quan điện lưới Việt Nam

Hệ thống truyền tải điện bao gồm các cấp điện áp 500kV, 220kV và 110kV

Hệ thống truyền tải điện 500kV với tổng chiều dài 4670 km từ Bắc tới Nam tạo điềukiện truyền tải trao đổi điện năng giữa các miền Bắc, Trung và Nam Mạch 1 củađường dây 500 kV được đưa vào vận hành tháng 9 năm 1994, mạch 2 được đưa vàovận hành vào cuối năm 2005

Năm 2012 lưới truyền tải 500 KV Bắc- Nam vận hành tương đối ổn định vàluôn truyền tải công suất cao từ Bắc vào Nam, tổn thất trên HTĐ 500 kV đạt 2,76%giảm 1,04% so với năm 2011 (3,80%) Nhiều công trình đường dây và trạm đãchính thức đưa vào vận hành góp phần đáng kể trong việc đảm bảo cung cấp điện,

cải thiện chất lượng điện áp, giảm tổn thất, chống quá tải và nâng cao độ ổn định vận hành của hệ thống.

Hệ thống phân phối điện mặc dù trong điều kiện tương đối tốt vẫn còn có tổnthất điện năng cao Đường dây bị quá tải, máy biến áp vận hành với hiệu suất chưacao, cáp điện có chất lượng kém là nhưng nguyên nhân chính gây ra tổn thất cao.EVN đã có một số biện pháp quan trọng để giải quyết những vấn đề này và hiện nay

đã giảm đáng kể những tổn thất trên lưới truyền tải và phân phối EVN có kế hoạchtiếp tục giảm tỷ lệ tổn thất hệ thống xuống dưới 8.8% vào năm 2013 và các nămtiếp

theo

Hình 2.6: Bản đồ hệ thống điện 500kV Việt Nam đến năm 2030

CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT VÀ TÍNH TOÁN

3.1 Pin năng lượng mặt trời và phương trình toán của pin năng lượng mặt trời

3.1.1 Pin năng lượng mặt trời

Pin năng lượng mặt trời (pin mặt trời/pin quang điện) là thiết bị giúp chuyểnhóa trực tiếp năng lượng ánh sáng mặt trời (quang năng) thành năng lượng điện(điện năng) dựa trên hiệu ứng quang điện Hiệu ứng quang điện là khả năng phát rađiện tử (electron) khi được ánh sáng chiếu vào của vật chất

Tấm pin mặt trời, những tấm có bề mặt lớn thu thập ánh nắng mặt trời vàbiến nó thành điện năng, được làm bằng nhiều tế bào quang điện có nhiệm vụ thựchiện quá trình tạo ra điện từ ánh sáng mặt trời

3.1.2 Phân loại pin mặt trời

Cho tới nay thì vật liệu chủ yếu cho pin

mặt trời là các silic tinh thể Pin mặt trời từ tinh

thể silic chia ra thành 3 loại:

* Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất

dựa trên quá trình Czochralski

Đơn tinh thể loại này có hiệu suất tới

16% Chúng thường rất mắc tiền do được cắt từ

các thỏi hình ống, các tấm đơn thề này có các

mặt trống ở góc nối module Hình 3.1: Phân loại pin mặt trời

Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc-đúc từ silic nung chảy cẩn thận được làmnguội và làm rắn Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suấtkém hơn Chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn đơn tinhthể bù lại cho hiệu suất thấp của nó

Từ các tế bào pin mặt trời của cả ba loại trên có dạng các tấm mỏng với độdày khoảng 300µm Để sử dụng hiệu quả các tấm pin quang điện, người ta ghépchúng lại để cho ra các module pin năng lượng mặt trời Số lượng cũng như cáchthức ghép các tấm pin mặt trời này phụ thuộc vào nhu cầu sử dụng.

Hình 3.3: Cấu tạo module

Hình 3.2: Quy trình tạo module

3.1.3 Phương trình toán pin năng lượng mặt trời

Dựa trên mạch điện tương dương của pin năng lượng mặt trời, một phươngtrình toán học đưa ra thể hiện mối tương quan giữa dòng điện và điện áp ngõ ra củapin năng lượng mặt trời

I: Dòng quang điện (A)

Is: Dòng bão hòa (A)

R s < � �� � ��

����

q: Điện tích của electron, q = 1.6x10-19 C