Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới điện

Chính vì thế vấn đề cần thiết đặt ra là cần tạo ra một hệ thống điện mặt trời hòa lưới điện Quốc gia mang thương hiệu Việt Nam, trên cơ sở kế thừa và phát triển các sản phẩm của nước ngo

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn là công trình nghiên cứu của riêng cá nhân, do tôi

tự nghiên cứu, thực hiện và tỏng hợp dựa trên sự hướng dẫn của PGS TS Nguyễn Hữu Công- PGĐ Đại học Thái Nguyên

Trong luận văn có sử dụng một số tài liệu tham khảo đã trích dẫn trong phần tài liệu tham khảo Các số liệu, chương trình phần mềm và những kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trong bất kì nghiên cứu nào khác

Tôi xin khẳng định về sự trung thực của lời cam đoan trên./

Thái Nguyên, ngày 18 tháng 09 năm 2020

Học viên

LỜI CẢM ƠN Qua thời gian học tập, nghiên cứu chương trình cao học kỹ thuật điện của trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, đã giúp tác giả nhận thức sâu sắc về cách thức nghiên cứu, phương pháp tiếp cận các đối tượng nghiên cứu và lựa chọn đề tài luận văn tốt nghiệp cao học; đồng thời góp phần nâng cao kiến thức chuyên môn vững vàng, nâng cao năng lực thực hành, khả năng thích ứng cao trước sự phát triển của khoa học, kĩ thuật và kinh tế; có khả năng phát hiện, giải quyết độc lập những vấn đề thuộc chuyên ngành được đào tạo và phục vụ cho công tác được tốt hơn Việc thực hiện nhiều bài tập nhóm trong thời gian học đã giúp tác giả sớm tiếp cận được cách làm, phương pháp nghiên cứu, tạo tiền đề cho việc độc lập trong nghiên cứu và hoàn thành luận văn này

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:

PGS TS Nguyễn Hữu Công đã giúp đỡ, hướng dẫn hết sức chu đáo, nhiệt tình trong quá trình thực hiện để tác giả hoàn thành luận văn thạc sĩ này;

Các CBCNV trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong quá trình tiến hành thực nghiệm đề tài và bảo vệ luận văn thạc sĩ; Gia đình, bạn bè của tác giả đã giúp đỡ, tạo điều kiện về thời gian, động viên tác giả trong quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn này;

Tác giả mong muốn tiếp tục nhận được sự chia sẻ, hỗ trợ và tạo điều kiện của Hội đồng Chấm luận văn thạc sĩ, để bản luận văn này hoàn thiện hơn

Xin trân trọng cám ơn!

Lạng Sơn, ngày 16 tháng 07 năm 2020 Tác giả luận văn

Vũ Chí Cường

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC iv

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG ix

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Phương pháp nghiên cứu 2

4 Những kết quả đạt được 2

5 Cấu trúc của luận văn 3

Chương 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 6

1.1 Phương pháp khai thác, sử dụng các nguồn năng lượng sạch 6

1.1.1 Tổng quan về các nguồn năng lượng sạch 6

1.1.2 Lợi ích của năng lượng sạch 8

1.1.3 Các giải pháp về năng lượng của loài người 8

1.2 Tổng quan hệ thống điện năng lượng mặt trời 9

1.2.1 Tổng quan 9

1.2.2 Một số nghiên cứu ngoài nước 14

1.2.3 Một số nghiên cứu trong nước 16

1.3 Kết luận chương 1 20

Chương 2 HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI HÒA LƯỚI ĐIỆN QUỐC GIA 21

2.1 Hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới 21

2.1.1 Pin mặt trời 21

2.1.2 Bộ đóng cắt mềm 23

2.1.3 Bộ biến đổi DC/DC hay bộ Boost Converter 23

2.1.4 Bộ nghịch lưu DC/AC 27

2.1.5 Bộ lọc phía lưới 29

2.1.6 Thiết bị điều khiển 29

2.2 Lý thuyết hòa lưới điện 31

2.2.1 Các điều kiện hòa đồng bộ 31

2.2.2 Đồng vị pha trong hai hệ thống lưới 33

2.3 Kết luận chương 2 33

Chương 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN MẶT TRỜI HÒA LƯỚI 35 3.1 Lý thuyết về bộ nghịch lưu áp ba pha nối lưới 35

3.1.1 Định nghĩa 35

3.1.2 Phân loại 36

3.2 Phương pháp điều chế véc tơ không gian SVM 38

3.2.1 Thành lập véc tơ không gian 38

3.2.2 Chuyển hệ tọa độ (α, β) sang hệ tọa độ (d, q) cho véc tơ không gian 29

3.2.3 Trạng thái của van và các véc tơ biên chuẩn 40

3.3 Thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống 45

3.3.1 Mô tả Dàn Pin Mặt trời 45

3.3.2 Thiết kế mạch điều khiển cho bộ Boost Converter 47

3.3.3 Thiết kế mạch điều khiển cho bộ nghịch lưu áp ba pha DC/AC (Voltage Source Inverter - VSI) 55

3.4 Kết luận chương 3 63

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

IΦ: dòng quang điện (A/m2);

ID: dòng qua điot (A/m2);

IS: dòng bão hoà (A/m2);

n: được gọi là thừa số lý tưởng phụ thuộc vào các mức độ hoàn thiện công nghệ chế tạo pin mặt trời Gần đúng có thể lấy n = 1;

RS: điện trở nối tiếp (điện trở trong) của pin mặt trời (/m2);

Rsh: điện trở sơn (điện trở dò) (/m2) q: điện tích của điện tử (C)

UDC: Điện áp một chiều Q: hàm đo chất lượng của mạch

UPV, IPV: là điện áp và dòng điện của dàn Pin mặt trời

UL, IL: là dòng điện ba pha của Lưới điện

CDC: điện dung của bộ DC link

isu, isv, isw là ba dòng điện pha của lưới điện ba pha

u, v, w là ba cuộn dây pha của lưới

s s

i là véc tơ dòng is quan sát trên hệ tọa độ αβ

f s

i là véc tơ dòng is quan sát trên hệ tọa độ dq

Uoc là điện áp hở mạch của Pin mặt trời

Isc (short circuit current) dòng điện mạch ngắn trong Pin mặt trời

DC – DC: Bộ biến đổi một chiều - một chiều (Bộ tăng thế hay bộ Boost Converter)

DC – AC: Bộ biến đổi một chiều – xoay chiều (Bộ nghịch lưu)

Ch ữ viết tắt Biểu diễn Ghi chú ti ếng anh

NLMT Năng lượng mặt trời

Modulation INC Tăng độ dẫn Incremental Conductance VSI Nghịch lưu nguồn áp Voltage Source Inverter SVM Điều chế véc tơ không gian Space Vector Modulation

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG

Hình 1.1 Năng lượng sạch không tạo ra những chất thải độc hại - 5

Hình 1.2 Những tấm pin giúp thu năng lượng từ mặt trời - 5

Hình 1.3 Tuabin gió trong hệ thống Năng lượng gió - 6

Hình 1.4 Mô hình một nhà máy năng lượng địa nhiệt - 7

Hình 1.5 Sơ đồ nối lưới hệ thống năng lượng mặt trời - 10

Hình 1.6 Tấm pin năng lượng mặt trời - 11

Hình 1.7 Bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trờ - 11

Hình 1.8 Bộ chuyển đổi dòng điện (inverter) - 12

Hình 1.9 Bộ chuyển nguồn tự động ATS - 13

Hình 1.10 Hệ thống giám sát năng lượng mặt trời - 14

Hình 2.1 Hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới - 21

Hình 2.2 Sơ đồ tương đương của Pin mặt trời - 22

Hình 2.3 Bộ đóng cắt mềm - 23

Hình 2.4 Bộ Boost Converter đóng cắt bằng MOSFET - 24

Hình 2.5 Lý tưởng đóng cắt cho mạch tăng áp - 24

Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển cho bộ Boost Converter - 27

Hình 2.7 Sơ đồ mạch động lực bộ nghịch lưu DC/AC - 28

Hình 2.8 Bộ lọc phía lưới - 29

Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý điều khiển - 31

Hình 3.1 Biểu diễn dòng điện is dưới dạng véc tơ không gian với các phần tử isα và isβ thuộc hệ tọa độ αβ - 39

Hình 3.2: Biểu diễn véc tơ không gian trên hệ tọa độ dq - 40

Hình 3.3 Bộ nghịch lưu ba pha nối lưới - 41

Hình 3.4 Các khả năng xảy ra khi đóng mở các van của bộ nghịch lưu - 42

Bảng 3.1: Giá trị các điện áp pha và dây của lưới - 42

Hình 3.5 Các véc tơ biên chuẩn và các góc phần sáu - 43

Bảng 3.2 Bảng lựa chọn véc tơ biên chuẩn và véc tơ không - 45

Hinh 3.6 Sơ đồ điện thay thế tương đương của PIN năng lượng mặt trời - 45

Hình 3.7 Mô phỏng Pin Mặt trời trên Matlab Simulink - 46

Hình 3.8 Đặc tính dòng áp của dàn Pin - 46

Hình 3.9 Đặc tính P-V của dàn pin - 47

Hình 3.10 Đặc tính dòng áp của dàn Pin mặt trời qua mô phỏng trên Matlab - Simulink 47

Hình 3.11 Sơ đồ mô phỏng bộ Boost Converter trên Matlab - 48

Hình 3.12 Thông số mạch Boost Converter - 49

Hình 3.13 Mô tả bộ điều khiển DC-DC (MPPT) - 49

Hình 3.14 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển MPPT - 50

Hình 3.15 Các mạch cung cấp tín hiệu tỷ lệ với công suất đầu vào của máy phát: (a)- Bằng bộ nhân analog, (b)- Bằng sơn - 50

Hình 3.16 Điều chế và giải mã cho quá trình duy trì điểm công suất cực đại (MPPT) - 51

Hình 3.17 Sơ đồ mạch MPPT vi phân - 51

Hình 3.18 Sơ đồ mạch điều chế xung rộng (PWM) - 52

Hình 3.19 Lưu đồ thuật toán xác định điểm công suất cực đại - 53

Hình 3.20 Sơ đồ mô tả khối MPPT trên Matlab - 53

Hình 3.21 Đồ thị điện áp đầu vào bộ Boost Converter - 54

Hình 3.22 Đồ thị điện áp ra bộ Boost Converter - 54

Hình 3.23 Sơ đồ mô phỏng điều khiển bộ nghịch lưu DC/AC - 56

Hình 3.24 Thông số của mạch điều khiển nghịch lưu DC/AC - 56

Hình 3.25 Sơ đồ mô tả bộ điều khiển nghịch lưu - 57

Hình 3.26 Khối tính toán Id ref - 57

Hình 3.27 Khâu điều chỉnh dòng - 57

Hình 3.28 Khối tính toán Uabc_ref - 58

Hinh 3.29 Mô tả mạch vòng khóa pha PLL và các khối đo lường - 58

Hình 3.30 Mô tả bộ chuyển hệ tọa độ - 58

Hình 3.31 Mô tả bộ Phase Lock Loop PLL - 60

Hình 3.32 Mạch điều khiển toàn hệ thống - 61

Hình 3.33 Điện áp đầu ra hệ thống có dạng sin chuẩn khi nối lưới - 62

Hình 3.34 Dòng điện Id và Iq - 62

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo rất lớn, có tiềm năng không những ở Việt Nam mà cả trên thế giới, đang dần dần thay thế cho năng lượng hóa thạch dần cạn kiệt Do đó trong những năm gần đây các kết quả nghiên cứ về hệ thống điện năng lượng mặt trời đã và đang được đưa vào ứng dụng

Ở các nước phát triền, việc khai thác sử dụng nguồn năng lượng mặt trời là rất phổ biến, cơ chế mua bán giữa các hộ sử dụng điện với các cơ quan bán điện cũng có quy định rất rõ dàng Công nghệ và thiết bị của hệ thống hòa lưới điện cũng rất hiện đại, tuy nhiên giá thành khá cao

Ở Việt Nam, điện năng lượng mặt trời cũng được khai thác và sử dụng, tuy nhiên phần lớn vẫn chỉ dừng lại ở mức sử dụng cục bộ, việc hòa lưới còn nhiều hạn chế, tuy nhiên Quyết định Số: 11/2017/QĐ-TTg ngày 11/04/ 2017 của Thủ tướng chính phủ về cơ chế khuyến khích phát triển các dự án điện mặt trời tại việt nam và Thông tư số 16/2017/TT-BCT ngày 12/09/2017 Quy định về phát triển dự án và hợp đồng mua bán điện mẫu áp dụng cho các dự án điện mặt trời đã mở ra cho chúng ta một cơ hội khai thác, sử dụng và bán điện năng lượng mặt trời, đồng thời khuyến khích phát triển các dự án điện năng lượng mặt trời

Tuy nhiên, qua phân tích các đề tài, dự án năng lượng mặt trời nối lưới hiện tại đang ứng dụng ở Việt Nam cho thấy đa số các hệ thống năng lượng mặt trời ở Việt Nam chủ yếu vẫn là hệ thống khai thác cục bộ, sử dụng và tiêu tốn một hệ thống Acquy khá lớn để tích trữ năng lượng, ít có những hệ thống hòa lưới điện Quốc gia Các thiết bị chủ yếu được nhập ngoại và lắp đặt tại Việt Nam nên giá thành khá cao, phụ thuộc hoàn toàn vào đối tác nước ngoài khi cần bảo dưỡng, thay thế, sửa chữa Chính vì thế vấn đề cần thiết đặt ra là cần tạo ra một hệ thống điện mặt trời hòa lưới điện Quốc gia mang thương hiệu Việt Nam, trên cơ sở kế thừa và phát triển các sản phẩm của nước ngoài với một số đặc điểm nổi bật sau:

+ Không sử dụng Acquy để lưu trữ năng lượng nên giảm giá thành đầu tư Acquy

+ Có khả năng bán năng lượng lên lưới, trong trường hợp không sử dụng hết nguồn năng lượng mặt trời, và ngược lại lấy năng lượng từ lưới khi nguồn năng lượng mặt trời không đủ cung cấp cho phụ tải

Bộ Inverter hòa lưới cần được xây dựng thuật toán để có chế độ thông minh,

tự dò tìm và đồng bộ pha nhằm kết nối giữa điện năng tạo ra từ hệ pin mặt trời và điện lưới Chế độ làm việc thông minh của bộ inverter với việc ưu tiên sử dụng lượng điện năng từ hệ pin mặt trời để cung cấp trực tiếp cho tải sử dụng sẽ giúp tối

ưu hóa năng lượng từ hệ pin mặt trời

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Tìm hiểu và đánh giá một vài phương pháp hoà lưới điện phổ biến hiện nay

- Nghiên cứu lý thuyết về các hệ thống điều khiển thông minh

- Xây dựng thành công mô hình mô phỏng hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới bằng phần mềm Matlab Simulink

Nghiên cứu lý thuyết tổng quan về đối tượng điều khiển, các bộ điều khiển

và xây dựng thành công thuật toán điều khiển cho đối tượng là hệ thống năng lượng mặt trời hòa lưới

Luận văn đã đạt được một số yêu cầu như sau:

- Tổng quan về hệ thống điện năng lượng mặt trời

- Phân tích, đánh giá một số nghiên cứu ngoài nước

- Phân tích, đánh giá một số nghiên cứu trong nước

- Thiết kế hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới

- Mô phỏng hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới trên phần mềm Matlab - Simulink

- Kết quả của luận văn là nguồn tư liệu phục vụ cho công tác học tập và giảng dạy trong nhà trường; Làm tài liệu tham khảo cho các chuyên gia và cán bộ kỹ thuật ngành Điện lực

5 Cấu trúc của luận văn

Tính cấp thiết của đề tài được trình bày ở phần mở đầu của luận văn Chương I của luận văn trình bày tổng quan về hệ thống điện năng lượng mặt trời, các thành phần cơ bản của chúng, đánh giá một số nghiên cứu trong và ngoài nước Chương II xây dựng mô hình thiết kế hệ thống điện năng lượng mặt trời, tính chọn mạch động lực Chương III thiết kế hệ thống điều khiển cho điện năng lượng mặt trời nối lưới, đồng thời mô hình hóa và mô phỏng trên phần mềm Matlab Simulink Các kết luận

và kiến nghị được mô tả ở cuối chương 3

Chương 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG

VÀ NGOÀI NƯỚC

1.1.1 Tổng quan về các nguồn năng lượng sạch

Hiện nay xu hướng toàn cầu hóa đang tập trung hướng tới mục tiêu bảo vệ môi trường Chính vì thế năng lượng sạch đang không ngừng được chú trọng và sử dụng rộng rãi Đặc biệt, Việt Nam là một trong các khu vực địa lý có điều kiện tự nhiên thuận lợi nhất để phát triển mạnh các nguồn năng lượng sạch Vậy năng lượng sạch

là gì? Các dạng năng lượng sạch là gì?

Khi mà tình trạng sử dụng các nguồn nguyên liệu từ than đá, dầu mỏ, khí đốt,… Đang gây ra những ảnh hưởng vô cùng nghiêm trọng tới môi trường Đặc biệt là những hiện tượng hiệu ứng nhà kính, mưa axit, ô nhiễm không khí, ô nhiễm nước, đất,… Đã và đang tác động trực tiếp đến đời sống sức khỏe của người dân Theo đó, một dang năng lượng mới được phát hiện ra Đó chính là, năng lượng sạch

Năng lượng sạch là dạng năng lượng mà trong quá trình sinh công bản thân nó không tạo ra những chất thải độc hại gây ảnh hưởng cho môi trường xung quanh Thông thường, các nguồn năng lượng sạch đều có sẵn từ thiên nhiên hoặc là chế phẩm của các sản phẩm tự nhiên nên không gây ô nhiễm, ít bị cạn kiệt Điển hình như năng lượng nước, năng lượng gió, năng lượng mặt trời,…Các nguồn năng lượng phải dựa trên cơ sở sử dụng công nghệ chuyển hóa năng lượng sạch Đảm bảo thân thiệt đối với môi trường trong suốt quá trình sản xuất Đồng thời, các nơi sản xuất năng lượng sạch cũng phải đảm bảo quy trình thực hiện đúng với quy định bảo vệ môi trường

Hiện nay trên thế giới, ngành công nghiệp năng lượng sạch vô cùng phát triển Ngày càng có nhiều loại năng lượng sạch được phát hiện và thử nghiệm Điển hình như: Pin nhiên liệu, năng lượng mặt trời, gió, nước, dầu thực vật phế thải, năng lượng tuyết, năng lượng lên men, năng lượng địa nhiệt, khí Metan Hydrate,…

Hình 1.1 Năng lượng sạch không tạo ra những chất thải độc hại

Năng lượng mặt trời

Năng lượng lượng mặt trời sử dụng những tấm pin bán dẫn để thu lại bức xạ ánh sáng và nhiệt từ Mặt trời Sau đó sử dụng để cung cấp cho thiết bị khác như bóng đèn, bình nước nóng, các thiết bị điện,… Các nước Nhật Bản, Mỹ và một số quốc gia Tây Âu là những nơi đi đầu trong việc sử dụng nguồn năng lượng mặt trời (từ những năm 50 ở thế kỷ trước) Tại nước ta, công nghệ này được sử dụng nhiều ở khu vực các tỉnh Tây Nguyên và Nam Trung Bộ

Hình 1.2 Những tấm pin giúp thu năng lượng từ mặt trời

Năng lượng nước

Việc sử dụng nước từ sông suối chính là một nguồn năng lượng sạch được ứng dụng nhiều nhất ở nước ta Thủy điện dựa vào sức nước ở các con sông lớn để làm quay tua bin sinh ra điện Ngoài ra, nguồn năng lượng từ đại dương cũng vô cùng phong phú Sóng và thủy triều được sử dụng để quay các turbin phát điện Nguồn điện sản xuất ra có thể dùng trực tiếp cho các thiết bị đang vận hành trên biển Như hải đăng, phao, cầu cảng, hệ thống hoa tiêu dẫn đường,…

Năng lượng gió

Năng lượng gió được coi là nguồn năng lượng xanh dồi dào và phong phú nhất hiện nay, nó có mặt ở mọi nơi Người ta sử dụng sức gió để quay các tua bin phát điện để sử dụng trong cuộc sống Hiện nay tại Việt Nam, với điều kiện địa lý thuận lợi bờ biển dài, lượng gió nhiều và phân bổ đều quanh năm Đây sẽ là một dạng năng lượng được chú trọng phát triển ở hiện tại và tương lai

Hình 1.3 Tuabin gió trong hệ thống Năng lượng gió

Năng lượng từ tuyết

Hiệp hội nghiên cứu năng lượng thiên nhiên ở Bihai của Nhật đã thành công trong việc ứng dụng tuyết để làm lạnh các kho hàng Cũng như làm điều hòa không khí ở những tòa nhà khi thời tiết nóng bức Theo dự án này, tuyết được chứa trong các nhà kho để giữ nhiệt độ kho từ 0oC đến 4oC Đây là mức nhiệt độ

lý tưởng dùng để bảo quản nông sản vì vậy mà giảm được chi phí sản xuất và giảm giá thành sản phẩm

Năng lượng địa nhiệt

Đây là nguồn năng lượng nằm sâu dưới lòng những hòn đảo, núi lửa Nguồn năng lượng này có thể thu được bằng cách hút nước nóng từ hàng nghìn mét sâu dưới lòng đất để chạy turbin điện Tại nước ta, việc nghiên cứu nguồn năng lượng địa nhiệt được bắt đầu từ những năm 80,90 của thế kỷ 20 Qua quá trình điều tra, đánh giá sơ bộ tiềm năng của các nguồn địa nhiệt trên cả nước Tuy nhiên đến nay, nguồn năng lượng này vẫn chưa được khai thác

Hình 1.4 Mô hình một nhà máy năng lượng địa nhiệt

Pin nhiên liệu

Pin nhiên liệu là kỹ thuật có thể cung cấp năng lượng cho con người Mà không phát ra khí thải CO2 hay bất kỳ loại khí độc nào khác Pin nhiên liệu sản sinh điện năng trực tiếp bằng phản ứng giữa hydro và oxy hay methanol và oxy Trong

đó hydro xuất hiện ở các nguồn khí thiên nhiên và metanol lấy từ chất thải sinh Do không bị đốt cháy nên chúng không phát ra các khí thải độc hại

Đi đầu trong lĩnh vực này là Nhật Bản Quốc gia này sản xuất được nhiều nguồn pin nhiên liệu khác nhau Dùng cho xe phương tiện giao thông, ôtô, các thiết

bị dân dụng như điện thoại di động,…

Năng lượng sạch từ sự lên men sinh học

Nguồn năng lượng này được tạo bởi sự lên men sinh học các đồ phế thải sinh hoạt Theo đó, người ta sẽ phân loại và đưa chúng vào những bể chứa Để cho lên

men nhằm tạo ra khí metan Khí đốt này sẽ làm cho động cơ hoạt động từ đó sản sinh ra điện năng Sau khi quá trình phân hủy hoàn tất, phần còn lại được sử dụng

để làm phân bón

Khí Mêtan hydrate

Khí Mêtan hydrate được coi là nguồn năng lượng tiềm ẩn nằm sâu dưới lòng đất Có màu trắng dạng như nước đá Đây là một chất kết tinh bao gồm phân tử nước và metan Nó ổn định ở điều kiện nhiệt độ thấp và áp suất cao Phần lớn được tìm thấy bên dưới lớp băng vĩnh cửu và những tầng địa chất sâu bên dưới lòng đại dương Đây là nguồn nguyên liệu thay thế cho dầu lửa và than đá rất tốt

Đối với môi trường và con người: Năng lượng sạch góp phần giảm thiểu các tác động tiêu cực đến môi trường Theo đó, khi sử dụng loại năng lượng này sẽ giúp con người giảm bớt lượng khí thải ảnh hưởng xấu đến môi trường sống xung quanh

ta Cũng theo đó mà đảm bảo sức khỏe của con người

Đối với đất nước: Sử dụng năng lượng sạch liên quan trực tiếp đến sự hình thành lối sống văn minh và phát triển bền vững của một quốc gia Ngoài ra, nó còn tạo tiềm năng kinh tế vùng Và phát triển mạnh mẽ an ninh năng lượng của cả đất nước

Khi mà tình trạng khan hiếm nhiên liệu ngày càng gia tăng như hiện nay Việc

sử dụng nguồn năng lượng hóa thạch đang ngày một cạn kiệt Trái đất đang nóng lên từng ngày vì sự biến đổi khí hậu do ô nhiễm môi trường Chính vì thế năng lượng sạch đang là một hướng đi của tương lai

Chiến lược năng lượng thế giới

Hằng năm cả thế giới tiêu thụ nguồn nhiên liệu tương đương 8 tỷ tấn dầu quy đổi( Theo báo cáo của LHQ), trong đó có 90% có nguồn gốc từ nhiên liệu hóa thạch như: dầu, than đá, khí đốt tự nhiên Khối lượng lớn nhiên liệu này bị đốt cháy

sẽ thải vào môi trường 37.051.670 tấn CO2 Chiến lược và chính sách năng lượng thế giới đề ra một số hành động ưu tiên sau:

- Soạn thảo những chiến lược quốc gia về năng lượng cho thời gian 30 năm tới

- Hạn chế sử dụng các loại nhiên liệu hóa thạch, sự lãng phí trong phân phối năng lượng và ô nhiễm môi trường trong sản xuất năng lượng thương mại

- Phát triển các nguồn năng lượng tái tạo được và năng lượng khôgn hóa thạch

- Sử dụng năng lượng có hiệu quả cao hơn nữa

- Phát động các chiến dịch truyền thông để tiết kiệm hơn nữa

Trong bối cảnh môi trường thế giới đang bị biến động mạnh bởi sự gia tăng hiệu ứng nhà kính và biến đổi khí hậu toàn cầu, thì việc giảm bớt sự phát thải khí nhà kính đang là vấn đề cần được ưu tiên của các tổ chức quốc tế và các quốc gia thành viên

Một số ý kiến khác cho rằng, sử dụng phương án TQM về cải tiến chất lượng TQM là một phương pháp tổng hợp vừa có cơ sở lý thuyết, vừa có ứng dụng hệ thống các công cụ và kỹ thuật giải quyết vấn đề, và là một phương pháp khó phản bác Tuy nhiên, phương pháp TQM chưa đáp ứng đủ yêu cầu nếu nó chỉ được áp dụng một cách riêng lẻ TQM có thể đạt được chất tốt nếu biết sử dụng tốt các nguồn lực của mình, nó là bài toán đố có thể giúp giải quyết chống ô nhiễm

Chiến lược năng lượng ở Việt Nam

Hiện nay, Việt Nam vẫn chưa có một chiến lược và chính sách năng lượng Tuy nhiên, dựa vào các văn bản liên quan đến bảo vệ môi trường quốc gia thì có thể phát thảo một khung chiến lược năng lượng Việt Nam, gồm các điểm sau: Chiến lược về nguồn năng lượng; Chiến lược tiết kiệm tiêu dùng năng lượng thương mại; Chiến lược ưu tiên phát triển và sử dụng năng lượng sạch, năng lượng tái tạo quy

Phát hiện này đã dẫn đến sự phát triển của tấm pin thu năng lượng mặt trời và biến chúng thành điện năng Kể từ đó, công nghệ đã phát triển và các hệ thống năng lượng mặt trời ra đời, phát triển và hiện đáng được lắp đặt nhiều để cung cấp những lợi ích về tài chính và môi trường vô cùng hấp dẫn cho các chủ nhà, doanh nghiệp

và phi lợi nhuận trên khắp thế giới

Nhờ có pin mặt trời, chúng ta có quyền tiếp cận vào một nguồn năng lượng vô tận - ánh sáng mặt trời Trong suốt cả ngày, các tế bào trên các tấm pin của chúng ta hấp thụ năng lượng từ ánh sáng mặt trời Mạch trong các tế bào thu thập năng lượng

đó và biến nó thành dòng điện trực tiếp (DC) Điện DC được truyền qua một thiết bị gọi là biến tần để chuyển đổi thành điện xoay chiều (AC) được sử dụng bởi hầu hết các gia đình và doanh nghiệp Chúng ta có thể sử dụng điện đó trong nhà, lưu trữ bằng ắc quy hoặc gửi lại vào lưới điện Quốc Gia

Hình 1.5 Sơ đồ nối lưới hệ thống năng lượng mặt trời

Những thành phần tạo nên một hệ thống điện năng lượng mặt trời:

+ Tấm pin quang điện mặt trời (solar panel) + khung giá đỡ

+ Bộ điều khiển sạc

+ Bộ chuyển đổi dòng điện (INVERTER)

+ Hệ thống chuyển nguồn tự động ATS

+ Hệ thống giám sát hiệu suất điện năng lượng mặt trời

+ Hệ thống lưu trữ điện mặt trời (Bình acquy)

a Tấm năng lượng mặt trời: Các tấm pin đóng vài trò thu thập và chuyển

đổi năng lượng mặt trời (quang năng) thành điện năng Chúng là thành phần chính của hệ thống pin mặt trời Các tấm phổ biến nhất hiện nay là tấm pin mặt trời đa

tinh thể hoặc đơn tinh thể

Hình 1.6 Tấm pin năng lượng mặt trời

Sự khác biệt chính giữa các tấm đa tinh thể và đơn tinh thể là về hiệu quả và chi phí Thông thường, các tấm đơn tinh thể cho hiệu quả cao hơn (và do đó đắt hơn) so với các tấm đa tinh thể Nhưng xét về độ phổ biến thì tấm đa tinh thể lại chiếm ưu thế, có lẻ là do giá rẻ hơn

b Bộ điều khiển sạc

Đây cũng là bộ phận không kém phần quan trong trong sơ đồ hệ thống điện năng lượng mặt trời Nó có nhiệm vụ điều khiển việc lấy điện từ tấm pin mặt trời sạc bình ắc quy, ổn áp cho dòng điện Đảm bảo cho bình ắc quy không bao giờ bị quá tải hay xả quá sâu Giúp bảo vệ an toàn bào tăng tuổi thọ cho bình ắc quy lưu trữ Ngoài ra nó giúp hệ thống pin mặt trời sử dụng hiệu quả và lâu dài hơn

Hình 1.7 Bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời

Bộ điều khiển sạc mặt trời còn cho ta biết được tình trạng các ắc quy được sạc điện từ tấm pin mặt trời thế nào Vì vậy nó cho người sử dụng kiểm soát được tình trạng của hệ thống và các phụ tải

Công dụng cuối cùng của bộ điều khiển sạc mặt trời đó là bảo vệ nạp không vượt quá điện thế cho phép Đảm bảo nó luôn dao động từ 13,8 V đến 10,5V Mạch của bộ điều khiển sẻ tự động ngắt điện khi bình ắc quy đã đầy hoặc điện thế không đảm bảo mức cho phép

Các tế bào trong các tấm pin thu thập năng lượng mặt trời và biến nó thành dòng điện một chiều (DC) Tuy nhiên, hầu hết các gia đình và doanh nghiệp sử dụng dòng điện xoay chiều (AC) Bộ Bộ chuyển đổi dòng điện này sẽ thay đổi điện một chiều từ các tấm pin thành điện xoay chiều có thể sử dụng được

Hình 1.8 Bộ chuyển đổi dòng điện (inverter)

Có hai loại inverter:

+ Inverter dạng chuỗi (hoặc tập trung): Một Bộ chuyển đổi dòng điện duy nhất được sử dụng để kết nối toàn bộ mảng pin mặt trời Bộ Inverter chuỗi ít tốn kém nhất và chi phí thấp hơn so với Inverter vi mô Tuy nhiên, nếu một trong các tấm PIN ngừng sản xuất điện hoặc bị bóng che mất nắng, nó có thể làm giảm hiệu suất của toàn hệ thống

+ Inverter dạng vi mô: Một bộ Bộ chuyển đổi dòng điện sẽ được lắp đặt ở mỗi tấm pin năng lượng mặt trời, cho phép các tấm PIN phát điện độc lập Nếu một số tấm pin bị bóng che vào các thời điểm khác nhau trong ngày hoặc nếu chúng không được cài đặt cùng hướng, các bộ Inverter vi mô sẽ giảm thiểu các vấn đề về hiệu suất Chi phí của bộ Bộ Inverter vi mô có cao hơn chi phí của bộ Bộ chuyển đổi dòng điện chuỗi

d Hệ thống chuyển đổi nguồn tự động ATS

Thiết bị này chỉ sử dụng cho sơ đồ hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới Còn hệ thống điện năng lượng mặt trời độc lập thì không có Nó có công dụng

để chuyển mạch điện mặt trời và điện lưới tùy vào tình trạng sử dụng điện khi phối hợp cả hai nguồn điện

Hệ thống điện mặt trời khi đã sạc đầy bình ắc quy lưu trữ thì thiết bị này sẽ giúp tự động chuyển nguồn điện sang điện lưới Hoặc khi hệ thống điện mặt trời không đủ cung cấp điện cho tải nó sẽ tự động chuyển sang điện lưới Nếu hệ thống của chúng ta không sử dụng bộ chuyển đổi tự động thông minh ATS Chúng ta có thể sử dụng những loại cầu dao chuyển mạch thủ công khác

Hình 1.9 Bộ chuyển nguồn tự động ATS

e Hệ thống giám sát hiệu suất điện năng lượng mặt trời

Hệ thống có thể xác định được hiệu suất các tấm pin mặt trời, cho biết lượng điện tạo ra /1 giờ và nó có thể xác định được các thay đổi hiệu suất hoặc có điều gì bất thường trong quá trình lắp đặt…

Có hai loại hệ thống giám sát:

Giám sát tại chỗ: Thiết bị giám sát được đặt trên thực tế trên tài sản của chúng

ta và ghi lại lượng điện được sản xuất

Giám sát từ xa: Hệ thống PV năng lượng mặt trời của chúng ta truyền dữ liệu hiệu suất của nó đến một dịch vụ giám sát mà chúng ta có thể truy cập trực tuyến hoặc bằng thiết bị di động

Hình 1.10 Hệ thống giám sát năng lượng mặt trời

Bình ắc quy chỉ sử dụng cho sơ đồ hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới

có lưu trữ và điện năng lượng mặt trời độc lập Bình ắc quy có nhiệm vụ lưu trữ điện để sử dụng cho tải vào ban đêm hoặc những ngày không có nắng

Nhận thấy tầm quan trọng của hệ thống năng lượng sạch nói chung, năng lượng mặt trời nói riêng Trong những năm qua đã có nhiều nghiên cứu nhằm tìm ra giải pháp tối ưu trong việc chế tạo, sản xuất các thiết bị của hệ thống điện năng lượng mặt trời

Một bộ nghịch lưu pin mặt trời nối lưới năm bậc một pha [1] với kỹ thuật hai tín hiệu điều chế mới Hai tín hiệu điều chế giống nhau với độ lệch tương đương biên độ tín hiệu sóng mang tam giác được dùng để phát ra tín hiệu PWM Bộ nghịch lưu gồm một bộ nghịch lưu toàn cầu và một mạch phụ gồm 4 điốt

và một công tắc Bộ nghịch lưu tạo điện áp ngõ ra 5 bậc: 0, +1/2Vdc, Vdc, - 1/2Vdc, và - Vdc Một thuật toán điều khiển dòng tích phân tỉ lệ (PI) số được bổ sung trong DSP TMS320F2812 để giữ dòng bơm vào lưới hình sin và có đặc tính động cao với tổng độ méo dạng sóng hài thấp Kết quả nghiên cứu đã tạo ra dòng điện bơm vào lưới hình sin; Đặc tính động cao với tổng độ méo dạng sóng hài thấp hơn (7,5% so với 3 bậc thông thường là 12,8%) Tác giả sử dụng thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại (MPPT) để tìm điểm làm việc của đường cong I-V ở giá trị cực đại Thuật toán đảm bảo rằng công suất cực đại được phân phối từ các dãy pin mặt trời ở bất kỳ tình trạng thời tiết nào Dòng và áp lưới cùng pha ở hệ số công suất gần bằng 1 (0,99), Kích cỡ bộ lọc nhỏ; Nhiễu điện từ thấp Tuy nhiên hiệu suất đưa ra (90%) thấp hơn so với hiệu suất khi sử dụng 3 bậc thông thường (92%) Không thực hiện phân tích sự đồng bộ theo các thông số sai lệch cho phép; Không

đề cập và giải quyết vấn đề cô lập hệ thống PV trong trường hợp nguồn lưới bị sự

cố và mất điện

Để đạt được dòng điện ngõ ra gần hình sin, nâng cao chất lượng điện năng,

và giảm tổn thất năng lượng, nghiên cứu [2] trình bày một hệ thống điều hòa công suất nối lưới pin mặt trời dựa trên nguyên tắc đa bậc lai Trong cấu trúc được đưa

ra, mỗi pha của hệ thống bao gồm hai bộ chuyển đổi cầu H, và hai bộ chuyển đổi được nối bởi hai máy biến áp lưới để phát ra 9 mức điện áp Một bộ bù công suất phản kháng tính hợp, theo cách này, chất lượng lượng điện năng trong hệ thống điện được nâng lên Sau đó, phương pháp điều chế độ rộng xung vector không gian được áp dụng trong bài báo này, phương pháp này có thể giải quyết sự thiếu ứng dụng của phương pháp PWM lai Các kết quả mô phỏng trên phòng thí nghiệm 380V/13kW đã chứng minh: Hệ thống có thể Phát ra dạng sóng điện áp ngõ ra chất lượng cao (lượng hài thấp 2%) Hiệu quả lọc cao vì điện kháng rò của các MBA ghép tầng Một bộ chuyển đổi tăng áp DC/DC để đạt được chức năng truy tìm điểm công suất cực đại (MPPT) và làm cho tụ DC giữ trạng thái cân bằng Cách ly được dòng DC và lưới thông qua việc sử dụng các máy biến áp ghép tầng Tuy nhiên, nghiên cứu không thực hiện phân tích sự đồng bộ theo các thông số sai lệch cho

phép Không đề cập và giải quyết vấn đề cô lập hệ thống PV trong trường hợp nguồn lưới bị sự cố và mất điện

Trong nghiên cứu [3] về việc mô hình hóa và mô phỏng của một hệ thống pin quang điện nối lưới, để phân tích cách kết nối lưới và hiệu quả điều khiển của hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới Mô hình được mô tả với sự xem xét và thi hành trong phần mềm PSCAD/EMTDC, một gói phần mềm quá độ hệ thống điện Các kết quả mô phỏng có phạm vi rộng được trình bày và phân tích để chứng minh rằng

mô hình mô phỏng được đưa ra là hiệu quả đối với sự đánh giá hiệu quả bảo vệ và điều khiển Bài báo đã đưa ra mô hình và thuật toán điều khiển với sự phân tích chi tiết các vấn đề như: Khả năng chống cô lập của hệ thống khi lưới bị sự cố thông qua

bộ điều khiển bảo vệ Sử dụng thuật toán truy tìm điểm công suất cực đại (MPPT)

để cung cấp công suất cực đại được phân phối từ hệ thống PV ở bất kỳ tình trạng thời tiết nào Phân tích đáp ứng quá độ của hệ thống khi được nối lưới Độ méo dạng tổng do sóng hài bằng 2,5% Tuy nhiên do tần số đóng cắt linh kiện lớn, công suất bộ nghịch lưu cũng khó nâng cao

Trong một nghiên cứu khác, bài báo [4] trình bày và thảo luận một cấu trúc chuyển đổi mới cho việc nối lưới của một hệ thống phát điện bằng pin mặt trời Bộ điều hòa công suất đưa ra sử dụng một cấu trúc bộ nghịch lưu đôi để nâng cao công suất định mức cực đại trên cơ sở các bộ nghịch lưu ba pha chuẩn Bài báo đã đưa ra

mô hình điều khiển với các ưu điểm như sau: Có khả năng nâng cao công suất định mức so với các bộ nghịch lưu 3 bậc thông thường Bên cạnh việc phát công suất, hệ thống hoạt động như một bộ lọc tích cực với khả năng cân bằng tải, bù sóng hài và bơm công suất phản kháng Không gặp vấn đề phải cân bằng điện áp như các bộ nghịch lưu đa bậc khác Tạo điện áp ngõ ra 9 bậc nên ít bị méo dạng Sử dụng hai dãy pin riêng biệt cấp cho mỗi bộ inverter nên hạn chế được dòng điện thứ tự không trong mạch Tuy nhiên thuật toán điều khiển khá phức tạp so với các nghiên cứu khác Không đề cập rõ chỉ số độ méo dạng tổng do sóng hài, không thực hiện phân tích sự đồng bộ theo các thông số sai lệch cho phép

1.2.3 Một số nghiên cứu trong nước

Mô hình điều khiển hệ thống lai năng lượng gió và mặt trời (Wind/Solar Energy system - W/S) trong lưới điện thông minh đã được đề cập đến trong báo cáo [5] Một số kết quả mô phỏng được thực hiện trong phần mềm Matlab để kiểm tra tính khả thi của hệ thống Nghiên cứu chỉ ra rằng: Dòng điện đầu ra của pin mặt trời phụ thuộc nhiều vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ làm việc của pin, còn điện

áp của tấm pin ít biến động theo bức xạ mặt trời mà chủ yếu biến động theo nhiệt

độ Với sự gia tăng nhiệt độ của tế bào quang điện sẽ làm giảm công suất tối đa ở đầu ra trong khi tăng dòng ngắn mạch Hệ thống làm việc chưa ổn định Để hệ thống tích hợp năng lượng điện gió và mặt trời làm việc ổn định và hiệu quả trong lưới điện thông minh cần phải có các hệ thống điều khiển linh hoạt, khắc phục được những tác động của các yếu tố ngẫu nhiên như bức xạ mặt trời, tốc độ gió, Một nghiên cứu khác mà kết quả là mô hình thí điểm lắp đặt hệ thống sản xuất năng lượng mặt trời trên mái nhà tại Hà Nội [6] Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả chỉ ra rằng, hoạt động thiết kế và lắp đặt tích hợp hệ thống tự sản xuất điện từ năng lượng mặt trời trên mái nhà của hộ gia đình trong đô thị tại Hà Nội là hoàn toàn khả thi, đơn giản về thi công, dễ dàng vận hành và hoàn toàn tuân thủ mọi qui định về pháp luật an toàn điện Phạm vi nghiên cứu có thể được tiếp tục mở rộng hơn ra không chỉ cho nhà ống mà còn các dạng nhà khác Tuy nhiên, hệ thống pin mặt trời trị giá khoảng 133 triệu VNĐ được lắp đặt vào T7/2017 mang tính trình diễn và sử dụng vì mục đích nghiên cứu khoa học, chưa phản ánh hết chi phí thực trong việc lắp đặt và triển khai trong thực tế tài thời điểm báo cáo này hoàn thành

và trong thời gian tới Do thời gian nghiên cứu quá ngắn nên một số các vấn đề khác như phân tích chi phí-lợi ích hay lượng hóa giá trị đầu tư để hoàn vốn, đơn giản và tối hóa hệ thống, tích hợp các giải pháp tiết kiệm năng lượng … cần nghiên cứu thêm trên cơ sở có số liệu quan trắc và đo đạc thực tế trong thời gian tới Nghiên cứu chỉ dừng lại ở mức sử dụng năng lượng cục bộ, mà chưa có tính năng hòa lưới

Hệ thống năng lượng hybrid kết hợp quang điện mặt trời và tua bin gió với pin lưu trữ dự phòng được thiết kế [7], tích hợp và tối ưu hóa hệ thống như một nguồn thay thế quy mô nhỏ của năng lượng điện mà ở những nơi không có điện lưới quốc gia hoặc vùng xa xôi hải đảo

Với đề tài “Thiết kế và chế tạo thiết bị mô hình hệ thống kết hợp năng lượng mặt trời và gió để sản xuất điện” nhằm nghiên cứu, tính toán và chế tạo được một

hệ thống lai sử dụng hai nguồn năng lượng sạch là gió và mặt trời có thể áp dụng vào thực tế cuộc sống Trong nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu đã tính toán được công suất, thiết bị, và lắp đặt mô hình thử nghiệm Xây dựng được bộ điều khiển lai giữa năng lượng gió và năng lượng mặt trời Tuy nhiên, giá thành sản phẩm còn quá cao Vì thiếu dụng cụ đo tốc độ gió nên chưa xác định được hệ thống turbine gió có đáp ứng được yêu cầu đưa ra Do thời gian có hạn và thông tin về các thiết bị cũng như giá cả còn hạn chế Vì vậy, người thực hiện chưa có số liệu đầy đủ cho cả gió

và mặt trời Nghiên cứu chỉ dừng lại ở mức sử dụng năng lượng cục bộ, mà chưa có tính năng hòa lưới

Hệ thống trạm điện năng lượng mặt trời có công suất 4.000Wp nối lưới có chất lượng điện đảm bảo tiêu chuẩn ngành và phù hợp với lưới điện quốc gia [8]

Hệ thống pin mặt trời IREX 250Wp sẽ chuyển hóa năng lượng mặt trời sang năng lượng điện DC, năng lượng điện DC sẽ được đưa vào bộ chuyển đổi nguồn (Inverter grid tie) nhằm chuyển hóa điện năng DC sang AC và đấu nối vào lưới điện Quốc gia Các tải sẽ được ưu tiên sử dụng nguồn điện từ pin năng lượng mặt trời trước, sau đó mới đến điện lưới Quốc gia Hệ thống chuyển đổi nguồn được kết nối với máy tính để điều khiển và giám sát từ xa thông qua bộ Sunny Wedbox Thiết bị Sunny Wedbox được kết nối và điều khiển từ xa qua mạng nội bộ (LAN), Internet Các phần chính trong hệ thống trạm điện năng lượng mặt trời như bộ chuyển đổi nguồn, bộ kết nối điều khiển từ xa đều là sản phẩm nhập từ Đức

Viện hàn lâm khoa học và Công nghệ Việt Nam đã xây dựng và hoàn thiện 01 trạm cung cấp điện mặt trời kết hợp với nguồn điện lưới [9] Hệ thống có khả năng điều khiển dàn pin năng lượng mặt trời theo tọa độ 3D, có khả năng điều khiển và

giám sát từ xa trạm điện bằng sóng vô tuyến Tuy nhiện hệ thống trạm cung cấp năng lượng mặt trời chỉ có khả năng kết hợp với nguồn điện lưới để cung cấp cho phụ tải mà không có khả năng phát điện lên lưới khi nguồn năng lượng mặt trời trong hệ thống dư thừa Hầu hết các thành phần chính của hệ thống trạm đều được nhập ngoại

Trên địa bàn Hà nội có một số dự án điện mặt trời nối lưới tiêu biểu như sau:

Dự án lắp đặt điện năng lượng mặt trời công suất 22,4 kWp trên nóc toà nhà Bộ Công Thương, số 23 Ngô Quyền, Hà Nội được đưa vào hoạt động tháng 1/2015 [10] Dự án do Chính phủ Tây Ban Nha tài trợ, công ty TRAMA của Tây Ban Nha làm tổng thầu EPC phối hợp với Tổng Cục Năng lượng thực hiện Dự án có tổng sản lượng điện ước tính khoảng 24.000 kWh/năm, được theo dõi từ xa qua hệ thống truyền dữ liệu sử dụng sóng 3G

Hệ thống điện năng lượng mặt trời công suất 12kWp lắp đặt tại tòa nhà Bộ Công Thương, số 54 Hai Bà Trưng, Hà Nội Hệ hoạt động từ ngày 19/11/2010 Hệ thống pin năng lượng mặt trời nối lưới này có tổng diện tích các tấm pin mặt trời

100 m2, có thể sản xuất được sản lượng khoảng 18.000 kWh/năm Dự án do công ty Altus, tổ chức Hợp tác kỹ thuật Đức - GTZ và Trung tâm Năng lượng mới Đại học Bách Khoa Hà Nội kết hợp triển khai Tuy nhiên, đến nay hệ thống pin mặt trời này

đã ngừng hoạt động, nguyên nhân là do không có nguồn kinh phí để mua sắm thiết

bị thay thế, cũng như chi phí để duy trì quá trình vận hành bảo dưỡng hệ thống

Hệ thống điện năng lượng mặt trời công suất 150kWp lắp đặt tại Trung Tâm Hội nghị Quốc gia Mỹ Đình Hệ sử dụng toàn bộ các thiết bị nhập ngoại và được đưa vào sử dụng từ 2008 Hệ thống này cũng được nối lưới và cung cấp điện năng cho trung tâm và hiện nay vẫn hoạt động tốt

Hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới có công suất tối đa 3kW được lắp đặt cho nhà dân tại Quận Thủ Đức, Thành Phố Hồ Chí Minh [11] với cấu hình chính gồm 12 tấm pin năng lượng mặt trời Mono công suất 250 W được sản xuất tại Canada và 1 bộ inverter hòa lưới iMars 3 kW, 1 pha (INVT) được sản xuất tại Đức Các tải trong nhà dân sẽ được ưu tiên sử dụng nguồn điện từ pin năng lượng mặt

trời trước, sau đó mới đến điện lưới Quốc gia Khi công suất hệ thống năng lượng mặt trời dư thừa so với công suất tiêu thụ của tải thì sẽ được phát lên lưới Nhược điểm lớn nhất của hệ thống này là các thành phần chính của hệ thống đều nhập ngoại (Canada, Đức) nên giá thành hệ thống khá cao, phụ thuộc hoàn toàn vào đối tác nước ngoài khi cần bảo dưỡng, thay thế, sửa chữa

Từ những phân tích trên có thể thấy: Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo rất lớn, có tiềm năng không những ở Việt Nam mà cả trên thế giới, đang dần dần thay thế cho năng lượng hóa thạch dần cạn kiệt Do đó trong những năm gần đây các kết quả nghiên cứ về hệ thống điện năng lượng mặt trời đã và đang được đưa vào ứng dụng Ở các nước phát triền, việc khai thác sử dụng nguồn năng lượng mặt trời là rất phổ biến, cơ chế mua bán giữa các hộ sử dụng điện với các cơ quan bán điện cũng có quy định rất rõ dàng Công nghệ và thiết bị của hệ thống hòa lưới điện cũng rất hiện đại, tuy nhiên giá thành khá cao

Ở Việt Nam, điện năng lượng mặt trời cũng được khai thác và sử dụng, tuy nhiên phần lớn vẫn chỉ dừng lại ở mức sử dụng cục bộ, việc hòa lưới còn nhiều hạn chế, đặc biệt cơ chế mua bán điện mặt trời giữa các hộ phụ tải và tập đoàn điện lực Việt Nam còn chưa thống nhất

Quyết định Số: 11/2017/QĐ-TTg ngày 11/04/ 2017 của Thủ tướng chính phủ

về cơ chế khuyến khích phát triển các dự án điện mặt trời tại việt nam và Thông tư

số 16/2017/TT-BCT ngày 12/09/2017 Quy định về phát triển dự án và hợp đồng mua bán điện mẫu áp dụng cho các dự án điện mặt trời ; Công văn 5087/BCT-TCNL Hướng dẫn thực hiện Quyết định 11/2017/QĐ-TTg cơ chế hỗ trợ phát triển các dự án điện mặt trời; Công văn 12582/VPCP-KTTH 2017 về ưu đãi thuế đối với

dự án điện mặt trời công suất dưới 50kW đã mở ra cho chúng ta một cơ hội khai thác, sử dụng và bán điện năng lượng mặt trời, đồng thời khuyến khích phát triển các dự án điện năng lượng mặt trời

1.3 Kết luận chương 1

Năng lượng mặt trời là một dạng năng lượng tái tạo vô tận với trữ lượng lớn

Đó là một trong các nguồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất mà thiên nhiên ban

tặng cho hành tinh chúng ta Đồng thời nó cũng là nguồn gốc của các nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng gió, năng lượng sinh khối, năng lượng các dòng sông,… Năng lượng mặt trời có thể nói là vô tận Tuy nhiên, để khai thác, sử dụng nguồn năng lượng này cần phải biết các đặc trưng và tính chất cơ bản của nó, đặc biệt khi tới bề mặt quả đất

Chương 1 đã giới thiệu được các vấn đề:

Phương pháp khai thác và sử dụng các nguồn năng lượng sạch trên thế giới hiện nay

Cấu trúc của một hệ thống điện năng lượng mặt trời

Đánh giá tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước trong lĩnh vực điện năng lượng mặt trời

Xuất phát từ những vấn đề lý thuyết đã nêu, mục tiêu của luận văn là thiết kế mạch động lực và mạch điều khiển cho hệ thống nối lưới nguồn năng lượng mặt trời, nhằm bổ sung thêm kết quả nghiên cứu trong việc khai thác và sử dụng nguồn năng lượng tái tạo này

Chương 2 HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

HềA LƯỚI ĐIỆN QUỐC GIA

Hỡnh 2.1 trỡnh bày tổng quan về hệ thống điện Năng lượng Mặt trời nối lưới

Bộ đóng cắt

=

Boost Converter

Hiệu suất là tỉ số của năng lượng điện từ ỏnh sỏng mặt trời Vào buổi trưa một ngày trời trong, ỏnh mặt trời tỏa nhiệt khoảng 1000 W/m² Trong đú, 10% hiệu suất của 1module 1m² cung cấp năng lượng khoảng 100 W Hiệu suất của pin mặt trời thay đổi từ 6% từ pin mặt trời làm từ Silic khụng thự hỡnh, và cú thể lờn đến 30% hay cao hơn nữa

Pin mặt trời được sản xuất và ứng dụng phổ biến hiện nay là các pin mặt trời được chế tạo từ vật liệu tinh thể bán dẫn Silicon (Si) có hoá trị 4 Từ tinh thể Si tinh khiết, để có vật liệu tinh thể bán dẫn Si loại n, người ta pha tạp chất Donor là Photpho (P) có hoá trị 5 Còn để có vật liệu bán dẫn tinh thể loại p thì tạp chất Acceptor được dùng để pha vào Si là Bo có hoá trị 3 Đối với pin mặt trời từ vật liệu tinh thể Si khi được chiếu sáng thì hiệu điện thế hở mạch giữa hai cực vào khoảng 0,55V, còn dòng ngắn mạch của nó dưới bức xạ mặt trời 1000W/m2 vào khoảng (2530) mA/cm3 Hiện nay cũng đã có các pin mặt trời bằng vật liệu Si vô định hình (a-Si) Pin mặt trời a-Si có ưu điểm là tiết kiệm được vật liệu trong sản xuất do đó có thể có giá thành rẻ hơn Tuy nhiên, so với pin mặt trời tinh thể thì hiệu suất biến đổi quang điện của nó thấp và kém ổn định khi làm việc ngoài trời

Khi được chiếu sáng, nếu nối các bán dẫn P và N của một tiếp xúc P-N bằng một dây dẫn thì pin Mặt trời phát ra một dòng quang điện Iph Vì vậy trước hết pin mặt trời có thể xem tương đương như một nguồn dòng

Lớp tiếp xúc bán dẫn P-N có tính chỉnh lưu tương đương với một Điốt Tuy nhiên khi phân cực ngược, do điện trở lớp tiếp xúc có giới hạn, nên vẫn có một dòng điện được gọi là dòng dò qua nó Đặc trưng cho dòng dò qua lớp tiếp xúc P-N người ta đưa vào đại lượng điện trở sơn Rsh

Khi dòng quang điện chạy trong mạch, nó phải đi qua lớp bán dẫn P và N, các điện cực, các tiếp xúc,… Đặc trưng cho tổng các điện trở của các lớp đó là một điện trở

Rs nối tiếp trong mạch (có thể coi là điện trở trong của pin mặt trời)

Sơ đồ điện tương đương của Pin mặt trời:

+ -

Áp dụng luật Kirholf 1 ta có phương trình:

IΦ: dòng quang điện (A/m2);

ID: dòng qua điot (A/m2);

IS: dòng bão hoà (A/m2);

n: được gọi là thừa số lý tưởng phụ thuộc vào các mức độ hoàn thiện công nghệ chế tạo pin mặt trời Gần đúng có thể lấy n = 1;

RS: điện trở nối tiếp (điện trở trong) của pin mặt trời (/m2);

Rsh: điện trở sơn (điện trở dò) (/m2) và

q: điện tích của điện tử (C)

Thông thường điện trở sơn Rsh rất lớn vì vậy có thể bỏ qua số hạng cuối trong biểu thức

Nhiệm vụ: Đóng cắt mạch điện để cho một

thiết bị được kết nối hoặc không kết nối với lưới

Chúng được tạo thành bởi các linh kiện bán dẫn

công suất Thyristor mỗi pha gồm hai Thyristor

mắc song song ngược, nên trong quá trình đóng

cắt không phát sinh hồ quang Bộ đóng cắt mềm

cho phép đóng cắt với thời gian ngắn; thông qua

thuật toán điều khiển, cho phép điều khiển được

công suất cấp cho tải và hướng truyền công suất (Hình 2.3)

Trong lĩnh vực kỹ thuật điện ngày nay, điện tử công suất là lĩnh vực kỹ thuật hiện đại Với những bước tiến nhảy vọt trong kỹ thuật chế tạo linh kiện bán dẫn, các linh kiện điện tử công suất: điôt công suất, Tiristor, GTO, Triac, IGBT, SID, MCT ra đời và hoàn thiện có tính năng dòng điện, điện áp, tốc độ chuyển mạch

Hình 2.3 B ộ đóng cắt mềm

ngày càng được nâng cao làm cho kỹ thuật điện truyền thống thay đổi một cách sâu sắc Song song với những tiến bộ đó các chiến lược điều khiển khác nhau cũng được áp dụng để điều khiển các bộ biến đổi theo các cấu trúc khác nhau nhằm tạo

ra bộ biến đổi thông minh, linh hoạt và có các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật, năng lượng tối ưu Bộ biến đổi tăng áp (Boost converter) có tác dụng biến đổi điện áp một chiều

ở đầu vào thành điện áp đầu ra cao hơn, thường được sử dụng ở mạch một chiều trung gian của các thiết bị biến đổi điện năng công suất vừa đặc biệt là các hệ thống phát điện sử dụng năng lượng tái tạo (sức gió, mặt trời )

Mạch Boost Converter có cấu tạo nguyên lý khá đơn giản Cũng dùng một nguồn đóng cắt, dùng cuộn cảm và tụ điện Điện áp đầu ra phụ thuộc vào điều biến

độ rộng xung và giá trị cuộn cảm L

Hình 2.4 B ộ Boost Converter đóng cắt bằng MOSFET

Ta giả thiết rằng các van bán dẫn là lý tưởng điều này cho phép trạng thái dẫn

và trạng thái khóa được kích hoạt tức thời Ta coi khi M dẫn dòng thì van ở vị trí u

= 1 còn khi M khóa dòng thì van ở vị trí u = 0 như trên hình 2.5

Hình 2.5 Lý tưởng đóng cắt cho mạch tăng áp

Khi u = 1 Điốt D bị phân cực ngược nên D khóa Dòng điện từ dàn pin mặt trời iPV chảy từ dương nguồn qua cuộn cảm L, qua van và trở về âm nguồn

Khi u = 0, Điốt D mở và ở cuối cuộn dây xuất hiện với 1 điện áp bằng điện

áp đầu vào Điện áp đầu vào cùng với điện áp ở cuộn cảm qua Điốt nạp cho tụ điện

Điện áp ra tải còn phụ thuộc giá trị của cuộn cảm tích lũy năng lượng và điều biến độ rộng xung (điều khiển thời gian ON/OFF của van M) Tần số đóng cắt van

là khá cao hàng kHz để triệt nhiễu công suất và tăng công suất đầu ra Dòng qua van đóng cắt nhỏ hơn dòng đầu ra

Áp dụng các luật Kirholf 1 và 2 cho mạch điện khi van M đóng và mở ta có:

Khi u = 1:

(2.2)(2.3)

Gọi u là trạng thái của van bán dẫn M, u sẽ nhận hai giá trị logic 0 và 1, khi

đó ta có hệ phương trình vi phân tổng quát:

(Q là hàm đo chất lượng của mạch)

Ta có hệ phương trình vi phân mô tả mạch bởi các biến x1, x2:

x x

tương ứng với trạng thái van bán dẫn M khóa, nhưng nếu bây giờ ta đặt ngược lại rằng: u = 0 tương ứng với trạng thái van bán dẫn M dẫn và u = 1 tương ứng với trạng thái van bán dẫn M khóa thì ta có một mô hình trạng thái khác của bộ biến đổi như sau:

Có rất nhiều phương pháp điều khiển cho bộ Boost converter Trong phạm vi

đề tài tôi sẽ sử dụng phương pháp điều khiển trượt bộ biến đổi DC/DC tăng áp

Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển:

- Thế vào Vin một chiều

- Thế ra Vout xoay chiều

- Tần số và dạng dao động điện (hình sin hay vuông góc, )

- Công suất yêu cầu cũng được xác định như đối với Bộ điều khiển, nhưng ở đây chỉ tính các tải của riêng Bộ biến đổi điện