Điều khiển công suất của hệ thống tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo nối lưới

Do đó, các ngu n đi n đạng năng lượng tái tạo vô tận ồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất ời là một dạng năng lượng tái tạo vô tận ảm tiêu hao năng lượng ảm tiêu hao năng lượng ồn năng

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

BÙI THỊ THU HÀ

ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT CỦA HỆ THỐNG TÍCH HỢP CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO NỐI LƯỚI

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Mã số: 60520216

TH I NGUYÊN - 2017ÁI NGUYÊN - 2017

Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN

Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Lại Khắc Lãi

Phản biện 1: PGS TS Nguyễn Như Hiển

Phản biện 2: PGS.TS Võ Quang Lạp

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn HỌP TẠI: TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN

vào hồi 7h30p ngày 30 tháng 07 năm 2017

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên

- Thư viện trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp

MỞ ĐẦU

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là xây dựng phương án tích hợp các nguồnnăng lượng tái tạo (gió và mặt trời) hòa lưới điện và đề xuất giải pháp điều khiểncông suất của hệ thống này, phạm vi nghiên cứu là nghiên cứu hệ thống điều khiển lainối lưới năng lượng điện gió và mặt trời với công suất nhỏ dung trong các căn hộhoặc khu dân cư Hệ thống này có kinh phí vừa phải và phù hợp với điều kiện ViệtNam

Bố cục của luận văn này gồm có 3 chương

Chương 1: Tổng quan về năng lượng tái tạo

Chương 2: Hệ thống tích hợp điện gió và điện mặt trời nối lưới

Chương 3: Điều khiển công suất hệ thống tích hợp điện mặt trời và điện gió

Trong quá trình nghiên cứu để thực hiện bài luận văn, mặc dù gặp rất nhiều khókhăn về vấn đề chuyên môn Nhờ sự giúp đỡ, hướng dẫn tận tình của thầy giáo

PGS TS Lại Khắc Lãi đã giúp tôi hoàn hoàn thành luận văn với kết quả mong

muốn đạt được Tuy nhiên bản luận văn này cũng không thể tránh khỏi những hạnchế, thiếu sót, tác giả kính mong nhận được sự góp ý và nhận xét của các thầy cô giáo

và các bạn để được hoàn thiện hơn

Thái Nguyên, ngày 20 tháng06 năm 2017

Học viên

Bùi Thị Thu Hà

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO 1.1 Tổng quan

1.1.1 Khái niệm về năng lượng tái tạo

1.1.2 Phân loại năng lượng tái tạo

1.1.3 Vai trò và lợi ích của năng lượng tái tạo

1.2 Tình hình khai thác và sử dụng năng lượng tích hợp điện gió mặt trời trên thế giới

1.3 Xu hướng phát triển năng lượng tích hợp điện gió mặt trời

1.3.1 Tiềm năng phát triển năng lượng tái tạo ở Việt Nam

1.3.2 Xu thế phát triển điện gió và điện mặt trời ở Việt Nam

1.4 Kết luận chương 1.

Năng lư ng đi n gió, đi n m t tr i là m t d ng năng lện gió, điện mặt trời là một dạng năng lượng tái tạo vô tận ện gió, điện mặt trời là một dạng năng lượng tái tạo vô tận ặt trời là một dạng năng lượng tái tạo vô tận ời là một dạng năng lượng tái tạo vô tận ột dạng năng lượng tái tạo vô tận ạng năng lượng tái tạo vô tận ư ng tái t o vô t nạng năng lượng tái tạo vô tận ận

v i tr lư ng l n Đó là m t trong các ngu n năng lột dạng năng lượng tái tạo vô tận ồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất ư ng tái t o quan tr ng nh tạng năng lượng tái tạo vô tận ọng nhất ất

mà thiên nhiên ban t ng cho hành tinh chúng ta Đ ng th i nó cũng là ngu n g cặt trời là một dạng năng lượng tái tạo vô tận ồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất ời là một dạng năng lượng tái tạo vô tận ồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất ốc

c a các ngu n năng lồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất ư ng tái t o khác nh năng lạng năng lượng tái tạo vô tận ư ư ng sinh kh i, năng lốc ư ng cácdòng sông… Năng lư ng m t tr i có th nói là vô t n Tuy nhiên, đ khai thác, sặt trời là một dạng năng lượng tái tạo vô tận ời là một dạng năng lượng tái tạo vô tận ể nói là vô tận Tuy nhiên, để khai thác, sử ận ể nói là vô tận Tuy nhiên, để khai thác, sử ử

d ng ngu n năng lồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất ư ng này v n còn r t khiêm t n và ch a khai thác h p lý.ẫn còn rất khiêm tốn và chưa khai thác hợp lý ất ốc ưTrong khi đó, ti m năng đ phát tri n năng lềm năng để phát triển năng lượng mới và năng lượng tái tạo là ể nói là vô tận Tuy nhiên, để khai thác, sử ể nói là vô tận Tuy nhiên, để khai thác, sử ư ng m i và năng lư ng tái t o làạng năng lượng tái tạo vô tận

r t l n, vi c phát tri n năng lất ện gió, điện mặt trời là một dạng năng lượng tái tạo vô tận ể nói là vô tận Tuy nhiên, để khai thác, sử ư ng tái t o sẽ góp ph n gi m tiêu hao năng lạng năng lượng tái tạo vô tận ần giảm tiêu hao năng lượng ảm tiêu hao năng lượng ư nghóa th ch, đ ng th i gi m phát th i khí nhà kính Do đó, các ngu n đi n đạng năng lượng tái tạo vô tận ồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất ời là một dạng năng lượng tái tạo vô tận ảm tiêu hao năng lượng ảm tiêu hao năng lượng ồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất ện gió, điện mặt trời là một dạng năng lượng tái tạo vô tận ư c

s n xu t ra t các ngu n năng lảm tiêu hao năng lượng ất ừ các nguồn năng lượng tái tạo đang được xem là sự bổ sung lý ồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất ư ng tái t o đang đạng năng lượng tái tạo vô tận ư c xem là s b sung lýự bổ sung lý ổ sung lý

tư ng cho s thi u h t đi n năng và không ch giúp đa d ng hóa các ngu n năngự bổ sung lý ếu hụt điện năng và không chỉ giúp đa dạng hóa các nguồn năng ện gió, điện mặt trời là một dạng năng lượng tái tạo vô tận ỉ giúp đa dạng hóa các nguồn năng ạng năng lượng tái tạo vô tận ồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất

lư ng mà còn góp ph n phân tán r i ro, tăng cần giảm tiêu hao năng lượng ười là một dạng năng lượng tái tạo vô tậnng, đ m b o an ninh năng lảm tiêu hao năng lượng ảm tiêu hao năng lượng ư ng

Tìm điểm công suất tối đa

Tốc độ gió

Điều khiện không khí

Mô men quay Điện áp ra xoay chiều

Hình 2 1: Sơ đồ khối hệ thống tích hợp năng lượng gió và mặt trời

2.1.2 Vấn đề điều khiển trong hệ thống tích hợp điện gió và điện mặt trời nối lưới 2.2 Pin mặt trời (PV - Photovoltaic)

2.2.1 Khái niệm

2.2.2 Mô hình toán và đặc tính làm việc của pin mặt trời

Hình 2 2: Mạch tương đương của modul PV

P, I

U I(U)

UOC UMPP

MPP

P(U) ISC

K

L D

Hình 2 3: Quan hệ I(U) và P(U) của PV

2.3 Bộ biến đổi một chiều – một chiều (DC/DC)

2.3.1 Chức năng

2.3.2 Các lo i b bi n đ i DC/DC ại bộ biến đổi DC/DC ộ biến đổi DC/DC ến đổi DC/DC ổi DC/DC

2.3.2.1 Bộ biến đổi DC/DC không cách ly

a M ch Buck:ạng năng lượng tái tạo vô tận

Hình 2 4: Sơ đồ nguyên lý bộ giảm áp Buck

b M ch Boost:ạng năng lượng tái tạo vô tận

Hình 2 5: Sơ đồ nguyên lý mạch Boost

c M ch Buck _ Boost:ạng năng lượng tái tạo vô tận

Hình 2 6: Sơ đồ nguyên lý mạch Buck – Boost

d M ch Cuk: ạng năng lượng tái tạo vô tận

Hình 2 7: Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi Cuk

Hình 2 8: Sơ đồ mạch bộ Cuk khi khoá SW mở thông dòng.

Hình 2 9: Sơ đồ mạch Cuk khi khoá SW đóng

Converter DC-DC MPPT

2.3.3 Đi u khi n b bi n đ i DC-DC ều khiển bộ biến đổi DC-DC ển bộ biến đổi DC-DC ộ biến đổi DC/DC ến đổi DC/DC ổi DC/DC

2.3.3.1 M ch vòng đi u khi n đi n áp ại bộ biến đổi DC/DC ều khiển bộ biến đổi DC-DC ển bộ biến đổi DC-DC ện áp

S đ c u trúc B đi u khi n đi n áp (Rơ đồ cấu trúc Bộ điều khiển điện áp (R ồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất ất ột dạng năng lượng tái tạo vô tận ềm năng để phát triển năng lượng mới và năng lượng tái tạo là ể nói là vô tận Tuy nhiên, để khai thác, sử ện gió, điện mặt trời là một dạng năng lượng tái tạo vô tận U) nh hình 2.13 Đi n áp ra ư ện gió, điện mặt trời là một dạng năng lượng tái tạo vô tận

đ u c c c a pin đần giảm tiêu hao năng lượng ự bổ sung lý ư c s d ng nh m t bi n đi u khi n cho h Nó duy trìử ư ột dạng năng lượng tái tạo vô tận ếu hụt điện năng và không chỉ giúp đa dạng hóa các nguồn năng ềm năng để phát triển năng lượng mới và năng lượng tái tạo là ể nói là vô tận Tuy nhiên, để khai thác, sử ện gió, điện mặt trời là một dạng năng lượng tái tạo vô tận

đi m làm vi c c a c h sát v i đi m làm vi c có công su t l n nh t b ng cáchể nói là vô tận Tuy nhiên, để khai thác, sử ện gió, điện mặt trời là một dạng năng lượng tái tạo vô tận ảm tiêu hao năng lượng ện gió, điện mặt trời là một dạng năng lượng tái tạo vô tận ể nói là vô tận Tuy nhiên, để khai thác, sử ện gió, điện mặt trời là một dạng năng lượng tái tạo vô tận ất ất ằng cách

đi u ch nh đi n áp c a pin phù h p v i đi n áp theo yêu c u ềm năng để phát triển năng lượng mới và năng lượng tái tạo là ỉ giúp đa dạng hóa các nguồn năng ện gió, điện mặt trời là một dạng năng lượng tái tạo vô tận ện gió, điện mặt trời là một dạng năng lượng tái tạo vô tận ần giảm tiêu hao năng lượng

Hình 2 11: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển điện áp

Converter DC-DC MPPT

2.3.3.2 Mạch vòng điều khiển dòng điện

M ch vòng đi u khi n dòng đi n đạng năng lượng tái tạo vô tận ềm năng để phát triển năng lượng mới và năng lượng tái tạo là ể nói là vô tận Tuy nhiên, để khai thác, sử ện gió, điện mặt trời là một dạng năng lượng tái tạo vô tận ư c ch ra trên hình 2.14 Phỉ giúp đa dạng hóa các nguồn năng ươ đồ cấu trúc Bộ điều khiển điện áp (Rng phápnày ch áp d ng v i nh ng thu t toán MPPT cho đ i lỉ giúp đa dạng hóa các nguồn năng ận ạng năng lượng tái tạo vô tận ư ng đi u khi n là dòngềm năng để phát triển năng lượng mới và năng lượng tái tạo là ể nói là vô tận Tuy nhiên, để khai thác, sử

đi n.ện gió, điện mặt trời là một dạng năng lượng tái tạo vô tận

Hình 2 12: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng điện

2.4 Tuabin gió mà máy phát điện

2.4.1 Cấu tạo

Hình 2 13: Cấu tạo tuabin gió trục ngang

8Trong h th ng lai đi n gió và m t tr i, ta s d ng lo i tuabin gió v i t c đện gió, điện mặt trời là một dạng năng lượng tái tạo vô tận ốc ện gió, điện mặt trời là một dạng năng lượng tái tạo vô tận ặt trời là một dạng năng lượng tái tạo vô tận ời là một dạng năng lượng tái tạo vô tận ử ạng năng lượng tái tạo vô tận ốc ột dạng năng lượng tái tạo vô tậnthay đ i có b bi n đ i n i tr c ti p gi a m ch stator c a máy phát và lổ sung lý ột dạng năng lượng tái tạo vô tận ếu hụt điện năng và không chỉ giúp đa dạng hóa các nguồn năng ổ sung lý ốc ự bổ sung lý ếu hụt điện năng và không chỉ giúp đa dạng hóa các nguồn năng ạng năng lượng tái tạo vô tận ư i, do

dó b bi n đ i đột dạng năng lượng tái tạo vô tận ếu hụt điện năng và không chỉ giúp đa dạng hóa các nguồn năng ổ sung lý ư c tính toán v i công su t đ nh m c c a toàn tuabin Máyất ịnh mức của toàn tuabin Máy ức của toàn tuabin Máyphát đây có th là lo i không đ ng b Roto l ng sóc ho c là đ ng b (hìnhể nói là vô tận Tuy nhiên, để khai thác, sử ạng năng lượng tái tạo vô tận ồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất ột dạng năng lượng tái tạo vô tận ồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất ặt trời là một dạng năng lượng tái tạo vô tận ồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất ột dạng năng lượng tái tạo vô tận2.16)

Transformer Power electronic

converter

≈

=

Hình 2 14: Tuabin gió với tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp

giữa stator và lưới

2.4.2 Mô hình hóa tuabin gió (WT) và máy phát cảm ứng

Hình 2 15: Sơ đồ mô phỏng tuabin gió

2.4.3 Điều khiển điện gió

Hình 2 16: Chỉnh lưu cầu kép

S đ kh i ch c năng đi u khi n h th ng đi n gió đơ đồ cấu trúc Bộ điều khiển điện áp (R ổ sung lý ốc ức của toàn tuabin Máy ềm năng để phát triển năng lượng mới và năng lượng tái tạo là ể nói là vô tận Tuy nhiên, để khai thác, sử ện gió, điện mặt trời là một dạng năng lượng tái tạo vô tận ốc ện gió, điện mặt trời là một dạng năng lượng tái tạo vô tận ư c ch ra trên hìnhỉ giúp đa dạng hóa các nguồn năng

2.19 Góc m α đư c đi u khi n b i b đi u khi n PI ềm năng để phát triển năng lượng mới và năng lượng tái tạo là ể nói là vô tận Tuy nhiên, để khai thác, sử ột dạng năng lượng tái tạo vô tận ềm năng để phát triển năng lượng mới và năng lượng tái tạo là ể nói là vô tận Tuy nhiên, để khai thác, sử

WTIG

v +

-V

Uabc_B1

400 Udc-ref

A B C

a2 b2 c2 a3 b3 c3

IM

50 Tan so

alpha_deg A B C Freq Block

PY

PD

Synchronized 12-Pulse Generator

L1

PI

Py Pd Ay By Cy Ad Bd Cd

pos

neg Chinh luu

powersysdomain

B1

Hình 2 17: Sơ đồ khối chức năng điều khiển tuabin gió

2.5 Nghịch lưu nối lưới

2.5.1 Các phép chuyển đổi

2.5.1.1 Biến đổi hệ thống 3 pha sang 2 pha

Hình 2 18: Chuyển đổi từ hệ tọa độ abc sang hệ tọa độ αβ

Hình 2 19: Chuyển đổi từ hệ qui chiếu αβ sang hệ qui chiếu dq

2.5.1.2 Biến đổi hệ thống một pha sang 2 pha

Hình 2 20: Cấu trúc của SOGI

2.5.2 Điều chế độ rộng xung (PWM - Pulse Width Modulation)

2.5.2.1 Điều chế độ rộng xung dựa trên sóng mang (CB-PWM)

Hình 2 21: Điều chế độ rộng xung dựa trên sóng mang hình sin

Dò pha Loop filter Dao động

arctan2 Loop Filter

PI abc

2.5.2.2 Điều chế véc tơ không gian (SVM)

Hình 2 22: Biểu diễn véc tơ không gian của điện áp ra

2.5.3 Bù sóng hài

2.6 Đồng bộ hóa lưới

2.6.1 Lọc phát hiện điểm qua zero (ZCD - Zero Cross Detection)

2.6.2 Lọc điện áp lưới

2.6.3 Vòng l p khóa pha (PLL - Phase Lock Loop) ặp khóa pha (PLL - Phase Lock Loop)

Hình 2 23:Vòng lặp khóa pha cơ bản

c

13

Hình 2 24: Sơ đồ vòng khóa pha cùng với các chuyển đổi

2.7 K t lu n ch ến đổi DC/DC ận chương 2 ương 2 ng 2

Chươ đồ cấu trúc Bộ điều khiển điện áp (Rng 2 mô t c u trúc h th ng lai đi n gió và đi n m t tr i n i lảm tiêu hao năng lượng ất ện gió, điện mặt trời là một dạng năng lượng tái tạo vô tận ốc ện gió, điện mặt trời là một dạng năng lượng tái tạo vô tận ện gió, điện mặt trời là một dạng năng lượng tái tạo vô tận ặt trời là một dạng năng lượng tái tạo vô tận ời là một dạng năng lượng tái tạo vô tận ốc ư i;

ch c năng c a các kh i c b n; xây d ng mô hình toán PV và tuabin gió; t ngức của toàn tuabin Máy ốc ơ đồ cấu trúc Bộ điều khiển điện áp (R ảm tiêu hao năng lượng ự bổ sung lý ổ sung lý

quan các kỹ thu t đi u khi n h th ng nh : Đi u khi n b bi n đ i DC/DC; cácận ềm năng để phát triển năng lượng mới và năng lượng tái tạo là ể nói là vô tận Tuy nhiên, để khai thác, sử ện gió, điện mặt trời là một dạng năng lượng tái tạo vô tận ốc ư ềm năng để phát triển năng lượng mới và năng lượng tái tạo là ể nói là vô tận Tuy nhiên, để khai thác, sử ột dạng năng lượng tái tạo vô tận ếu hụt điện năng và không chỉ giúp đa dạng hóa các nguồn năng ổ sung lý

phép chuy n đ i t a đ ; phể nói là vô tận Tuy nhiên, để khai thác, sử ổ sung lý ọng nhất ột dạng năng lượng tái tạo vô tận ươ đồ cấu trúc Bộ điều khiển điện áp (Rng pháp đi u ch đ r ng xung hình sin; kỹềm năng để phát triển năng lượng mới và năng lượng tái tạo là ếu hụt điện năng và không chỉ giúp đa dạng hóa các nguồn năng ột dạng năng lượng tái tạo vô tận ột dạng năng lượng tái tạo vô tận

thu t đ ng b hóa lận ồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất ột dạng năng lượng tái tạo vô tận ư i

Ig

Vg Vbus

I*d

I*q

Id Iq

Iα Iβ

-14

CHƯƠNG 3 ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT HỆ THỐNG TÍCH HỢP ĐIỆN MẶT TRỜI

VÀ ĐIỆN GIÓ 3.1 Tổng quan về điều khiển bộ chuyển đổi DC/AC

3.1.1 Bộ điều khiển tỉ lệ tích phân (PI)

3.1.2 Bộ điều khiển cộng hưởng tỉ lệ (PR - Proportional Resonant)

3.1.3 Bộ điều khiển phản hồi trạng thái

3.2 Điều khiển dòng điện cho biến tần một pha nối lưới

3.2.1 Bộ điều khiển dòng điện d-q

Hình 3 1: Sơ đồ điều khiển dòng điện biến tần một pha nối lưới

S đ kh i c a bi n t n n i lơ đồ cấu trúc Bộ điều khiển điện áp (R ồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất ốc ếu hụt điện năng và không chỉ giúp đa dạng hóa các nguồn năng ần giảm tiêu hao năng lượng ốc ư i đư c ch ra trên hình 3.3, trong đó L làỉ giúp đa dạng hóa các nguồn năng

đi n c m c a cu n kháng l c và R là đi n tr c a chúng, E là tr hi u d ng c aện gió, điện mặt trời là một dạng năng lượng tái tạo vô tận ảm tiêu hao năng lượng ột dạng năng lượng tái tạo vô tận ọng nhất ện gió, điện mặt trời là một dạng năng lượng tái tạo vô tận ịnh mức của toàn tuabin Máy ện gió, điện mặt trời là một dạng năng lượng tái tạo vô tận

đi n áp đ u ra b ngh ch l u, U là tr hi u d ng đi n áp lện gió, điện mặt trời là một dạng năng lượng tái tạo vô tận ần giảm tiêu hao năng lượng ột dạng năng lượng tái tạo vô tận ịnh mức của toàn tuabin Máy ư ịnh mức của toàn tuabin Máy ện gió, điện mặt trời là một dạng năng lượng tái tạo vô tận ện gió, điện mặt trời là một dạng năng lượng tái tạo vô tận ư i đi n i là dòngện gió, điện mặt trời là một dạng năng lượng tái tạo vô tận

đi n ch y trong m ch ện gió, điện mặt trời là một dạng năng lượng tái tạo vô tận ạng năng lượng tái tạo vô tận ạng năng lượng tái tạo vô tận

Hình 3 3: Sơ đồ khối của nghịch lưu nối lưới