Luận văn Thạc sĩ Phân tích hệ thống điện lai năng lượng mặt trời và gió

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM - NGUYỄN VĂN ÚT PHÂN TÍCH HỆ THỐNG ĐIỆN LAI NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ GIÓ LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số ngành: 60520202 TP HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM - NGUYỄN VĂN ÚT PHÂN TÍCH HỆ THỐNG ĐIỆN LAI NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ GIÓ LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số ngành: 60520202 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS HUỲNH CHÂU DUY TP HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2018 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM Cán hướng dẫn khoa học: PGS TS Huỳnh Châu Duy (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn Thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Công nghệ TP HCM ngày … tháng … năm … Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ) TT Họ tên Chức danh Hội đồng Chủ tịch Phản biện Phản biện Ủy viên Ủy viên, Thư ký Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau Luận văn sửa chữa (nếu có) Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC Độc lập – Tự – Hạnh phúc Tp.HCM, ngày tháng năm 20 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Nguyễn Văn Út Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: Nơi sinh: Chuyên ngành: Kỹ thuật điện MSHV: I- Tên đề tài: Phân tích hệ thống điện lai lượng mặt trời gió II- Nhiệm vụ nội dung: - Nghiên cứu tình hình khai thác sử dụng nguồn nguồn lượng tái tạo; - Nghiên cứu tổng quan hệ thống điện lượng mặt trời gió; - Nghiên cứu xây dựng mơ hình tốn hệ thống điện lượng mặt trời gió; - Nghiên cứu điều khiển vận hành hệ thống điện lượng mặt trời gió; - Mơ điều khiển vận hành hệ thống điện lượng mặt trời gió III- Ngày giao nhiệm vụ: IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: V- Cán hướng dẫn: PGS TS Huỳnh Châu Duy CÁN BỘ HUỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) LỜI CAM ÐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu kết đạt Luận văn trung thực chưa công bố Tôi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực Luận văn cảm ơn tài liệu tham khảo Luận văn trích dẫn đầy đủ nguồn gốc Học viên thực Luận văn Nguyễn Văn Út LỜI CÁM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy PGS TS Huỳnh Châu Duy tận tình hướng dẫn giúp đỡ tơi hồn thành đầy đủ tốt nhiệm vụ giao đề tài luận văn tốt nghiệp Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô trang bị cho nhiều kiến thức quý báu chuyên ngành Kỹ thuật điện mà tảng vững cho tơi hồn thành tốt đề tài luận văn tốt nghiệp Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể Lớp 16SMĐ12 động viên giúp đỡ tơi q trình thực đề tài luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn Quý Thầy Cô Trường Đại học Công nghệ Tp HCM; Viện Khoa học - Kỹ thuật HUTECH Viện Đào tạo sau đại học tạo điều kiện tốt cho tơi hồn thành khóa học đề tài luận văn tốt nghiệp Nguyễn Văn Út i Tóm tắt Do đặc thù riêng ngành lượng tái tạo, chi phí đầu tư cho cơng nghệ lượng mặt trời, lượng gió, cao; phương thức khai thác cho nguồn lượng khác Điều dẫn đến hạn chế hiệu khai thác nguồn lượng tái tạo nguồn khai thác sử dụng độc lập Việc ghép nối phối hợp khai thác nguồn lượng tái tạo xu hướng phát triển ngành lượng điện Đây lý đề tài, “Nghiên cứu hệ thống điện lai lượng gió mặt trời nối lưới” lựa chọn thực luận văn Kết nghiên cứu phù hợp cho nhu cầu cung cấp lượng điện đáp ứng phát triển kinh tế - xã hội quốc gia, giảm thiểu áp lực cho nguồn lượng điện truyền thống, giảm thiểu vấn đề liên quan đến ô nhiễm môi trường, Nội dung luận văn bao gồm chương sau: - Chương 1: Giới thiệu chung - Chương 2: Cơ sở lý thuyết lượng mặt trời gió - Chương 3: Phân tích hệ thống điện lai lượng mặt trời gió - Chương 4: Mơ hệ thống điện lai lượng mặt trời gió - Chương 5: Kết luận hướng phát triển tương lai ii Abstract Due to the specific characteristics of the renewable energy sector, the investment cost for solar and wind energy technologies is still high The methods of exploitation for each source of energy are also different This leads to restrictions on the efficiency of the exploitation of renewable energy sources if these resources are exploited and used independently The coupling and integration of renewable energy sources is a trend for the development of the power sector This is the main subject of the study, "Hybrid power systems of wind and solar energy sources" selected and implemented in this thesis The results of this study are appropriate for the need to provide electricity to meet the socio-economic development of a country, to reduce the pressure on traditional power sources, to minimize problems related to environmental pollution, The content of the thesis consists of the following chapters: - Chapter 1: Introduction - Chapter 2: Background to wind and solar energies - Chapter 3: Analysis of hybrid power systems of wind and solar energy sources - Chapter 4: Simulation results - Chapter 5: Conclusions and future works iii MỤC LỤC Tóm tắt i Mục lục iii Danh sách hình vẽ iv Danh sách bảng xx Chương - Giới thiệu chung 1.1 Giới thiệu 1.2 Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu 1.3 Mục tiêu nhiệm vụ nghiên cứu 18 1.4 Phạm vi nghiên cứu 18 1.5 Giá trị thực tiễn luận văn 19 1.6 Nội dung luận văn 19 1.7 Kết luận 19 Chương - Cơ sở lý thuyết lượng gió mặt trời 21 2.1 Năng lượng mặt trời 21 2.1.1 Giới thiệu 21 2.1.2 Các công nghệ sử dụng lượng mặt trời 22 2.1.3 Các ưu nhược điểm lượng mặt trời 23 2.1.4 Pin mặt trời 23 2.1.5 Các mô hình hệ thống pin mặt trời 33 2.1.6 Bộ biến đổi nguồn 36 2.2 Năng lượng gió 44 2.2.1 Sự hình thành lượng gió 44 2.2.2 Lịch sử phát triển nguồn lượng gió 46 2.2.3 Năng lượng gió giới 46 2.2.4 Nguồn lượng gió Đơng Nam Á 48 2.2.5 Nguồn lượng gió Việt Nam 48 2.2.6 Ứng dụng lượng gió 52 iv 2.2.7 Tuabin gió 56 2.2.8 Những thuận lợi khó khăn việc sử dụng lượng gió 57 2.2.9 Cấu tạo tuabin gió 58 2.2.10 Nguyên lý làm việc 60 2.2.11 Hệ thống phát điện gió điển hình 64 2.2.12 Kết nối máy phát điện gió với lưới điện 73 2.2.13 Cấu hình hệ thống nguyên lý hoạt động máy phát điện gió PMSG 75 2.2.14 Mơ hình tốn PMSG 77 2.3 Pin lưu trữ lượng 82 2.3.1 Nguyên lý hoạt động pin axít chì 83 2.3.2 Quá trình nạp - xả pin axít chì 85 Chương - Phân tích hệ thống điện lai lượng mặt trời gió 87 3.1 Giới thiệu 87 3.2 Ưu nhược điểm hệ thống điện lai 88 3.2.1 Ưu điểm hệ thống điện lai 88 3.2.2 Nhược điểm hệ thống điện lai 88 3.3 Hệ thống điện lai lượng gió, mặt trời ắc-quy 88 3.4 Hệ thống điện lai lượng mặt trời pin nhiên liệu 89 3.5 Hệ thống điện lai lượng mặt trời gió 90 3.6 Tích trữ nguồn lượng tái tạo 91 3.6.1 Hệ thống tích trữ lượng bơm nước thủy điện 93 3.6.2 Hệ thống tích trữ lượng khí nén 94 Chương - Mô hệ thống điện lai lượng mặt trời gió 96 4.1 Giới thiệu 96 4.2 Kết mô 101 4.2.1 Cường độ xạ tốc độ gió khơng đổi 101 4.2.2 Cường độ xạ thay đổi tốc độ gió khơng đổi 105 4.2.3 Cường độ xạ 110 104   Dien ap day AB cua may phat dien gio, vab(V) 600 400 200 -200 -400 -600 0.5 1.5 Thoi gian, t(s) 2.5 Hình 4.14 Điện áp dây AB máy phát điện gió PMSG, vab(V) với tốc độ gió không đổi, v1 = 12 (m/s) Cuong dong dien cua he thong dien lai, iabc(A) 25 20 15 10 -5 -10 -15 -20 -25 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 Thoi gian, t(s) 0.85 0.9 0.95 Hình 4.15 Cường độ dịng điện hệ thống điện lai lượng mặt trời gió, iabc(A) với cường độ xạ không đổi, G1 tốc độ gió khơng đổi, v1 105   400 Dien ap cua he thong dien lai, vabc(V) 300 200 100 -100 -200 -300 -400 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 Thoi gian, t(s) 0.85 0.9 0.95 Hình 4.16 Điện áp hệ thống điện lai lượng mặt trời gió, vabc(A) với cường độ xạ khơng đổi, G1 tốc độ gió khơng đổi, v1 Từ kết mô cho trường hợp cường độ xạ tốc độ gió khơng đổi, cơng suất phát hệ thống điện mặt trời gió hòa đồng cung cấp cho phụ tải với tín hiệu cường độ dịng điện điện áp Hình 4.15 - 4.16 Sự kết hợp mang lại hiệu việc khai thác, phối hợp chia sẻ nguồn tài nguyên thiên nhiên liên quan đến sản xuất cung cấp nguồn lượng điện 4.2.2 Cường độ xạ thay đổi tốc độ gió khơng đổi Mơ hệ thống điện lai lượng mặt trời gió thực với giả sử rằng: + Cường độ xạ thay đổi, G2(G21, G22) sau: t21 = - (s): G21 = 1000 (W/m2); t22 = - (s): G22 = 850 (W/m2) + Tốc độ gió không đổi, v2 = 12 (m/s) 106   1050 Cuong buc xa, G(W/m2) 1000 950 900 850 800 0.5 1.5 Thoi gian, t(s) 2.5 Hình 4.17 Cường độ xạ thay đổi, G2 (W/m2) Cuong dong dien cua he thong PV, ipv(A) 16 14 12 10 0 0.5 1.5 Thoi gian, t(s) 2.5 Hình 4.18 Cường độ dòng điện hệ thống PV với cường độ xạ thay đổi, G2(W/m2) 107   700 Dien ap cua he thong PV, vpv(V) 600 500 400 300 200 100 0 0.5 1.5 Thoi gian, t(s) 2.5 Hình 4.19 Điện áp hệ thống PV với cường độ xạ thay đổi, G2 (W/m2) 13 12.8 12.6 Toc gio, v(m/s) 12.4 12.2 12 11.8 11.6 11.4 11.2 11 0.5 1.5 Thoi gian, t(s) 2.5 Hình 4.20 Tốc độ gió khơng đổi, v2 = 12 (m/s) 108 Cuong dong dien pha A cua may phat dien gio, ia(A)   15 10 -5 -10 -15 0.5 1.5 Thoi gian, t(s) 2.5 Hình 4.21 Cường độ dịng điện pha A máy phát điện gió PMSG, ia(A) với tốc độ gió khơng đổi, v2 = 12 (m/s) Dien ap day AB cua may phat dien gio, vab(V) 600 400 200 -200 -400 -600 0.5 1.5 Thoi gian, t(s) 2.5 Hình 4.22 Điện áp dây AB máy phát điện gió PMSG, vab(V) với tốc độ gió khơng đổi, v2 = 12 (m/s) 109 Cuong dong dien cua he thong dien lai, iabc(A)   25 20 15 10 -5 -10 -15 -20 -25 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 Thoi gian, t(s) 0.85 0.9 0.95 Hình 4.23 Cường độ dòng điện hệ thống điện lai lượng mặt trời gió, iabc(A) với cường độ xạ thay đổi, G2 tốc độ gió khơng đổi, v2 400 Dien ap cua he thong dien lai, vabc(V) 300 200 100 -100 -200 -300 -400 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 Thoi gian, t(s) 0.85 0.9 0.95 Hình 4.24 Điện áp hệ thống điện lai lượng mặt trời gió, vabc(A) với cường độ xạ thay đổi, G2 tốc độ gió khơng đổi, v2 110   Từ kết mô cho trường hợp cường độ xạ thay đổi tốc độ gió khơng đổi, cơng suất phát hệ thống điện mặt trời gió hịa đồng cung cấp cho phụ tải với tín hiệu cường độ dịng điện điện áp Hình 4.23 - 4.24 Sự kết hợp mang lại hiệu việc khai thác, phối hợp chia sẻ nguồn tài nguyên thiên nhiên liên quan đến sản xuất cung cấp nguồn lượng điện, đặc biệt có thay đổi xạ mặt trời nguồn lượng điện cung cấp cho phụ tải với tín hiệu cường độ dịng điện điện áp trì ổn định 4.2.3 Cường độ xạ thay đổi tốc độ gió thay đổi Mơ hệ thống điện lai lượng mặt trời gió thực với giả sử rằng: + Cường độ xạ thay đổi, G3(G31, G32) sau: t31 = - (s): G31 = 1000 (W/m2); t32 = - (s): G32 = 850 (W/m2) + Tốc độ gió thay đổi, v3(v31, v32 v33) sau: t31 = - 1,5 (s): v31 = 12 (m/s); t32 = 1,5 - (s): v32 = (m/s); t33 = - (s): v33 = 10 (m/s) 111   1050 Cuong buc xa, G(W/m2) 1000 950 900 850 800 0.5 1.5 Thoi gian, t(s) 2.5 Hình 4.25 Cường độ xạ thay đổi, G3 (W/m2) Cuong dong dien cua he thong PV, ipv(A) 16 14 12 10 0 0.5 1.5 Thoi gian, t(s) 2.5 Hình 4.26 Cường độ dòng điện hệ thống PV với cường độ xạ thay đổi, G3(W/m2) 112   700 Dien ap cua he thong PV, vpv(V) 600 500 400 300 200 100 0 0.5 1.5 Thoi gian, t(s) 2.5 Hình 4.27 Điện áp hệ thống PV với cường độ xạ thay đổi, G3 (W/m2) 14 13 Toc gio, v(m/s) 12 11 10 0.5 1.5 Thoi gian, t(s) Hình 4.28 Tốc độ gió thay đổi, v3 (m/s) 2.5 113 Cuong dong dien pha A cua may phat dien gio, ia(A)   15 10 -5 -10 -15 0.5 1.5 Thoi gian, t(s) 2.5 Hình 4.29 Cường độ dịng điện pha A máy phát điện gió PMSG, ia(A) với tốc độ gió thay đổi, v3 Dien ap day AB cua may phat dien gio, vab(V) 600 400 200 -200 -400 -600 0.5 1.5 Thoi gian, t(s) 2.5 Hình 4.30 Điện áp dây AB máy phát điện gió PMSG, vab(V) với tốc độ gió thay đổi, v3 114   Cuong dong dien cua he thong dien lai, iabc(A) 25 20 15 10 -5 -10 -15 -20 -25 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 Thoi gian, t(s) 0.85 0.9 0.95 Hình 4.31 Cường độ dòng điện hệ thống điện lai lượng mặt trời gió, iabc(A) với cường độ xạ thay đổi, G3 tốc độ gió thay đổi, v3 400 Dien ap cua he thong dien lai, vabc(V) 300 200 100 -100 -200 -300 -400 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 Thoi gian, t(s) 0.85 0.9 0.95 Hình 4.32 Điện áp hệ thống điện lai lượng mặt trời gió, vabc(A) với cường độ xạ thay đổi, G3 tốc độ gió thay đổi, v3 115   Từ kết mô cho trường hợp cường độ xạ thay đổi tốc độ gió thay đổi, cơng suất phát hệ thống điện mặt trời gió hòa đồng cung cấp cho phụ tải với tín hiệu cường độ dịng điện điện áp Hình 4.31 - 4.32 Sự kết hợp mang lại hiệu việc khai thác, phối hợp chia sẻ nguồn tài nguyên thiên nhiên liên quan đến sản xuất cung cấp nguồn lượng điện, đặc biệt có thay đổi xạ mặt trời tốc độ gió nguồn lượng điện cung cấp cho phụ tải với tín hiệu cường độ dịng điện điện áp trì ổn định 115   Chương Kết luận hướng phát triển tương lai 5.1 Kết luận Năng lượng tái tạo xem nguồn lượng hỗ trợ mạnh mẽ cho nguồn lượng điện truyền thống thủy điện nhiệt điện tương lai Trong số nguồn lượng tái tạo lượng mặt trời, lượng gió, lượng địa nhiệt, lượng sinh khối, lượng đại dương, lượng mặt trời lượng gió quan tâm khai thác nhiều Năng lượng mặt trời lượng gió nguồn lượng sạch, có trữ lượng lớn đến mức xem vô hạn tương lai, nguồn lượng nguồn lượng cung cấp cho nhu cầu lượng giới Tuy nhiên, rõ ràng chất hai nguồn lượng tái tạo hoàn toàn khác mà dẫn đến việc khai thác nguồn lượng khác thời điểm giai đoạn khác Để đạt tranh tổng thể chung cho việc khai thác nguồn lượng tái tạo cách hiệu quả, luận văn nghiên cứu đề xuất giải pháp làm để kết hợp nguồn lượng tái tạo lại với nhau, tận dụng ưu điểm nguồn lượng tái tạo Phạm vi nghiên cứu luận văn nghiên cứu hệ thống điện độc lập bao gồm nguồn lượng mặt trời lượng gió kết hợp lại với cung cấp cho phụ tải AC với yêu cầu đảm bảo ổn định chất lượng điện 5.2 Hướng phát triển tương lai Trong tương lai, nghiên cứu khác liên quan đến việc cải thiện hiệu suất khai thác nguồn lượng mặt trời lượng gió triển khai 116   Đồng thời, chất lượng điện hệ thống điện phải đảm bảo ngày cải thiện Thêm vào đó, hệ thống điện lai lượng mặt trời gió nối lưới nghiên cứu Không dừng lại việc kết hợp khai thác lượng mặt trời lượng gió, nguồn lượng khác cần phải nghiên cứu khai thác kết hợp cho giảm bớt gánh nặng nguồn lượng hóa thạch truyền thống 117 Tài liệu tham khảo [1] Lại Khắc Lãi, Vũ Nguyên Hải Trần Gia Khánh, “Điều khiển hệ thống lai lượng gió mặt trời lưới điện thơng minh”, Tạp chí Khoa học Công nghệ, Số 118, Tập 4, Trang 15-21, 2014 [2] Hồng Trí, "Thiết kế chế tạo mơ hình thiết bị hệ thống kết hợp sử dụng lượng mặt trời gió để sản xuất điện", Tạp chí Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp HCM [3] N M Al-enezi and S H Abuarafah, "Hybrid solar wind diesel power generation system", IEEE Conference, pp 1-6, 2014 [4] A V P Kumar, A M Parimi and K U Rao, “Implementation of MPPT control using fuzzy logic in solar-wind hybrid power system”, IEEE Conference, pp 1-5, 2015 [5] Huỳnh Châu Duy Hồ Đắc Lộc, Năng lượng tái tạo bảo vệ môi trường, Nhà xuất Đại học Quốc gia Tp HCM, 2016 [6] Trang thông tin điện tử, www.khoahoc.tv [7] Trang thông tin điện tử, www.ies.vn [8] Trang thông tin điện tử, www.baodanang.vn ... điểm hệ thống điện lai 88 3.2.1 Ưu điểm hệ thống điện lai 88 3.2.2 Nhược điểm hệ thống điện lai 88 3.3 Hệ thống điện lai lượng gió, mặt trời ắc-quy 88 3.4 Hệ thống điện lai lượng. .. hệ thống điện lai lượng gió mặt trời Hình 1.2 Sơ đồ khối hệ thống điện kết hợp gió mặt trời Hình 1.3 Mơ hình hệ thống điện kết hợp gió mặt trời Hình 1.4 Hệ thống điện kết hợp với hệ. .. khiển hệ thống lai lượng gió mặt trời lưới điện thông minh” giới thiệu việc xây dựng mô hình điều khiển hệ thống điện lai lượng gió mặt trời [1] Sơ đồ khối hệ thống điện lai lượng gió mặt trời