Nghiên cứu ứng dụng bộ lưu trữ năng lượng để nâng cao chất lượng điện năng và hiệu quả khai thác cho các hệ nguồn năng lượng mới và tái tạo

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP BÙI NGUYỄN HIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ LƢU TRỮ NĂNG LƢỢNG ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỆN NĂNG VÀ HIỆU QUẢ KHAI THÁC CHO CÁC HỆ NGUỒN NĂNG LƢỢNG MỚI VÀ TÁI TẠO Chuyên ngành : Kỹ thuật điện THÁI NGUYÊN - 2014 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 2 LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan luận văn này là công trình do chính tác thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn của TS. Ngô Đức Minh. Nội dung luận văn có nghiên cứu sử dụng các tài liệu tham khảo nhƣ đã nêu trong phần tài liệu tham khảo. Tác giả Bùi Nguyễn Hiệp Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 3 MỞ ĐẦU Định hƣớng của đề tài Từ cuối thế kỷ 20 và đặc biệt trong 10 năm trở lại đây tình hình năng lƣợng đang thay đổi - có một số lƣợng lớn các nguồn cung cấp năng lƣợng không phải là dạng truyền thống đang đƣợc thúc đẩy phát triển mạch mẽ không những riêng ở nƣớc ta, mà trên phạm vi toàn cầu. Đó là các dạng nguồn năng lƣợng mới và tái tạo (NLM&TT). Ví dụ nhƣ: phong điện, thủy điện nhỏ, điện mặt trời, điện thủy triều V.V Chúng có thể đƣợc khai thác dƣới các loại hình mạng điện khác nhau: có thể là mạng điện cục bộ, mạng phân tán hay đƣợc kết nối với lƣới quốc gia. Tuy nhiên, đối với các dạng nguồn này đều có chung một số nhƣợc điểm là: - Đặc tính làm việc thuộc dạng mềm hoặc siêu mềm - Tiềm năng phụ thuộc các yếu tố tự nhiên luôn thay đổi nhƣ thời gian, thời tiết, khí hậu… - Khả năng dự trữ công suất thấp. Qua phân tích tổng quan về các dạng năng lƣợng NLM&TT, Tác giả lựa chọn hƣớng nghiên cứu cho một dạng điển hình, đó là thủy điện nhỏ. Trong đó, một số thủy điện nhỏ ở các vùng núi, cách xa các trung tâm kinh tế phát triển chỉ có thể đƣợc khai thác theo hình thức mạng điện cục bộ. Trƣớc đây, mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ chƣa đƣợc quan tâm khai thác và phát triển nên các ứng dụng khoa học kỹ thuật vào điều khiển nguồn phát cũng nhƣ trong toàn mạng còn chƣa đƣợc đề cập đến. Chính vì thế, làm cho tính kinh tế của hệ thống còn thấp, chất lƣợng điện năng cung cấp chƣa đảm bảo. Ngày nay, đứng trƣớc sự phát triển về mọi mặt của xã hội, các hoạt động sản xuất ngày càng phong phú, đời sống văn hóa tinh thần của con ngƣời ngày một nâng cao dẫn đến đòi hỏi các lƣới điện vận hành phải đảm bảo các chỉ tiêu chất lƣợng điện năng. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 4 Mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ (MĐCBTĐN) mà đề tài quan tâm cụ thể là một mạng điện độc lập, không kết nối với lƣới điện quốc gia. Một số nhƣợc điểm của MĐCBTĐN có thể đƣợc phân tích nguyên nhân xuất phát từ hoạt động của hệ turbine-máy phát. Đƣơng nhiên là, sự hoạt động bình thƣờng của một máy phát đồng bộ xoay chiều ba pha đƣợc đảm bảo thông qua chất lƣợng điều khiển của hai hệ thống: 1- Hệ thống điều chỉnh kích từ để ổn định điện áp và huy động công suất phản kháng. 2- Hệ thống turbine để ổn định tần số và huy động công suất tác dụng. Với thủy điện nhỏ thì các nhƣợc điểm phát sinh hầu nhƣ đều có nguyên nhân từ hệ thống turbine (hệ thống kích từ không bàn đến). Thực tế các thủy điện nhỏ thƣờng đƣợc xây dựng theo kiểu thủy điện có kênh dẫn, đặc tính điều chỉnh công suất và điều chỉnh tốc độ có thời gian trễ lớn, khả năng quá tải thấp, không có khả năng huy động công suất đỉnh nên không đáp ứng đƣợc nhu cầu đòi hỏi của phụ tải thực tế. Ví dụ: Khi có động cơ khởi động: - Quá trình khởi động của động cơ bị kéo dài do đặc điểm của thủy điện nhỏ không đáp ứng đƣợc tốc độ huy động công suất cho khởi động. - Chất lƣợng điện năng thấp, không ổn định. Nhƣ vậy, để khắc phục tình trạng trên cần thiết phải có một nguồn dự trữ năng lƣợng khác ngoài máy phát. Một số biện pháp truyền thống đã đƣợc áp dụng cho các hoạt động tƣơng tự, ví dụ nhƣ: - Dự trữ năng lƣợng bằng hệ bánh đà. - Dự trữ năng lƣợng bằng buồng áp lực Đối với một số thủy điện nhỏ thì cả hai biện pháp trên đều không thể áp dụng. Vì vậy, nhiệm vụ của đề tài là nghiên cứu tìm đƣợc một giải pháp thích hợp để khắc phục những vấn đề tồn tại trên. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài - Xác định tên đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng bộ lƣu trữ năng lƣợng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 5 để nâng cao chất lƣợng điện năng và hiệu quả khai thác cho các hệ nguồn năng lƣợng mới và tái tạo”. Cụ thể là: - Nghiên cứu ứng dụng hệ thống tích trữ năng lƣợng trong mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ, nhằm mục đích nâng cao hiệu quả khai thác công suất nguồn phát và đảm bảo chất lƣợng điện năng cung cấp. Phạm vi nghiên cứu - Xây dựng cấu trúc điều khiển của hệ BESS trong mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ nhằm thực hiện các chức năng chính là: - Huy động công suất đỉnh cho chế độ khởi động của động cơ, - Bù công suất phản kháng để cải thiện chất lƣợng điện áp tại điểm kết nối. Cấu trúc luận án Luận văn gồm 4 chƣơng, 99 trang, 32 tài liệu tham khảo. Thái Nguyên,ngày 03 tháng12năm 2013 Tác giả Bùi Nguyễn Hiệp Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 6 MỤC LỤC CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƢỢNG MỚI VÀ TÁI TẠO 13 1.1. Các dạng năng lƣợng mới và tái tạo 13 1.2. Năng lƣợng Mặt trời 15 1.2.1. Sự hình thành năng lƣợng Mặt trời 15 1.2.2. Tiềm năng năng lƣợng Mặt trời 15 1.2.3. Công nghệ sử dụng năng lƣợng Mặt trời 17 1.3. Năng lƣợng gió 18 1.3.1. Sự hình thành năng lƣợng gió 18 1.3.2. Tiềm năng gió 19 1.3.3. Công nghệ sử dụng năng lƣợng gió 21 1.4. Thủy điện nhỏ 22 1.4.1. Khái niệm chung về thủy điện nhỏ 22 1.4.2. Tiềm năng và tình hình khai thác ở Việt Nam 22 1.4.3. Công nghệ thủy điện nhỏ 23 1.5. Năng lƣợng địa nhiệt 24 1.5.1. Sự hình thành năng lƣợng địa nhiệt 24 1.5.2. Tiềm năng của năng lƣợng địa nhiệt 24 1.5.3. Công nghệ khai thác địa nhiệt 26 1.6. Năng lƣợng thủy triều và sóng biển 27 1.6.1. Sự hình thành năng lƣợng thủy triều và sóng biển 27 1.6.2. Tiềm năng năng lƣợng thủy triều và sóng biển 27 1.6.3. Công nghệ khai thác 28 1.7. Đề xuất hƣớng nghiên cứu 30 1.8. Kết luận chƣơng 1 30 CHƢƠNG 2 MẠNG ĐIỆN CỤC BỘ THUỶ ĐIỆN NHỎ 32 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 7 2.1. Giới thiệu chung 32 2.1.1. Phân tích hoạt động của MĐCBTĐN 33 2.1.1.1. Ƣu điểm của thủy điện nhỏ 33 2.1.1.2. Những vấn đề còn tồn tại 34 2.1.1.3. Giải pháp ứng dụng BESS trong mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ 40 2.2. Mô tả toán học hệ turbine-máyphát 41 2.2.1. Mô tả toán học máy phát 42 2.2.1.1. Khái niệm vector không gian của các đại lƣợng xoay chiều ba pha 42 2.2.1.2. Mô tả máy phát đồng bộ xoay chiều 3 pha trong các hệ tọa độ thông dụng 43 2.2.2. Mô tả toán học hệ turbine 52 2.3. Mô tả toán học bộ biến đổi BESS trong mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ 59 2.4. Mô hình kho tích trữ năng lƣợng battery 64 2.5. Vận hành MĐCBTĐN và giới hạn mang tải của máy phát 67 2.6. Kết luận chƣơng 2 69 CHƢƠNG 3 ĐIỀU KHIỂN HỆ BESS TRONG MẠNG ĐIỆN CỤC BỘ THỦY ĐIỆN NHỎ 70 3.1. Cấu trúc điều khiển hệ BESS 70 3.2. Nguyên lý xác định góc pha vector điện áp 71 3.3. Điều chế vector không gian SVM cho hệ BESS 73 3.4. Thiết kế bộ điều chỉnh dòng điện cho hệ BESS 80 3.5. Thiết kế bộ điều chỉnh điện áp tại điểm kết nối chung PCC 83 3.6. Bộ điều khiển công suất tác dụng 85 3.7. Kết luận 86 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 8 CHƢƠNG 4 MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM HỆ BESS TRONG MẠNG ĐIỆN CỤC BỘ THỦY ĐIỆN NHỎ 88 4.1. Mô phỏng hệ BESS trong mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ 88 4.1.1. Mô phỏng tác dụng của BESS trong MĐCBTĐN công suất 2 MVA 88 4.1.1.1. Xây dựng mô hình mô phỏng 88 4.1.1.2. Kết quả mô phỏng 89 4.2. Kết luận chƣơng 4 95 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 96 1. Kết luận 96 2. Kiến nghị 96 PHỤ LỤC 97 PL1. Tính toán công suất BESS 97 PL2. Tính toán tụ một chiều một chiều trung gian 98 PL3. Tính dung lƣợng ăcquy 98 PL4. Chọn điện cảm đầu ra của BESS 99 PL5. Chọn van bộ biến đổi công suất 100 PL6. Các thông số mô phỏng: 101 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 9 DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU Hình 1. 1 Các nguồn NLTT trên Thế giới năm 2006 13 Hình 1. 2 Sự hình thành gió 18 Hình 1. 3 Tốc độ triển khai năng lƣợng gió giai đoạn 1997-2010 trên thế giới. 19 Hình 1. 4 : a) Sơ đồ máy phát điện sức gió; b) Sơ đồ nối lƣới của máy phát nối lƣới không đồng bộ nguồn kép 21 Hình 1. 5 Nhà máy điện thủy triều Rance, CH Pháp 30 Hình 1. 6 Trạm phát điện sử dụng dòng hải lƣu SeaGen, Bắc Ailen 30 Hình 2. 1 Mô tả mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ 32 Hình 2. 2 Sơ đồ thay thế của mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ 33 Hình 2. 3 Cấu trúc cơ bản của trạm thủy điện nhỏ 34 Hình 2. 4 Đặc tính ổn định tần số theo tải 35 Hình 2. 5 Đặc tính ổn định điện áp theo tải 35 Hình 2. 6 Mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ có BESS 41 Hình 2. 7 Mô hình turbine-máy phát 42 Hình 2. 8 Đồ thị vector và các phép chuyển đổi hệ tọa độ 42 Hình 2. 9 Sơ đồ bố trí các cuộn dây stator và rotor máy điện đồng bộ 44 Hình 2. 10 Mạch điện tƣơng đƣơng của máy điện đồng bộ 45 Hình 2. 11 Sơ đồ khối chức năng bộ điều tốc turbine thủy điện 52 Hình 2. 12 Mô hình phi tuyến của turbine 54 Hình 2. 13 Mô hình tuyến tính của turbine 55 Hình 2. 14 Đặc tính cơ bản của turbine 56 Hình 2. 15 Họ các đặc tính khi điều chỉnh turbine 57 Hình 2. 16 Đặc tính điều chỉnh turbine 57 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 10 Hình 2. 17 Cấu trúc điều tốc turbine thủy điện 58 Hình 2. 18 : a)Thay thế BESS nhƣ một nguồn áp tại PCCi, b)Cấu trúc bộ biến đổi BESS 59 Hình 2. 19 Sơ đồ thay thế bộ biến đổi BESS 60 Hình 2. 20 Mô hình tín hiệu trung bình bộ biến đổi BESS trong tọa độ abc 61 Hình 2. 21 Mô hình bộ biến đổi BESS trong hệ tọa độ quay dq tựa điện áp lƣới 63 Hình 2. 22 Mô hình bộ biến đổi BESS trong miền toán tử Laplace 63 Hình 2. 23 Siêu tụ và thiết bị ghép nối 65 Hình 2. 24 Mô hình ghép nối ăcquy 65 Hình 2. 25 Mô hình ghép nối các siêu tụ 66 Hình 2. 26 Mô hình thay thế kiểu Thevenin của ăcquy 66 Hình 2. 27 Đồ thị phụ tải ngày và các phụ tải đỉnh do động cơ khởi động 68 Hình 3. 1 Cấu trúc điều khiển hệ BESS trong mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ 70 Hình 3. 2 Biểu diễn các đại lƣợng vector trên tọa độ dq tựa điện áp 72 Hình 3. 3 Cấu trúc khối đồng bộ tựa điện áp lƣới PLL 73 Hình 3. 4 Dạng tín hiệu tựa đồng bộ điện áp lƣới có đƣợc bằng kết quả mô phỏng 73 Hình 3. 5 Tám khả năng chuyển mạch trong bộ biến biến đổi van 76 Hình 3. 6 Vị trí các vector chuẩn trên hệ toạ độ αβ 77 Hình 3. 7 Tổng hợp vector chuẩn trong sector 1 78 Hình 3. 8 Thời gian đóng/cắt mỗi van trong sector 1 79 Hình 3. 9 Dạng sóng biến điệu vector SVM có đƣợc bằng kết quả mô phỏng 80 Hình 3. 10 Cấu trúc khử tƣơng tác 2 thành phần dòng i Bd và i Bq 81 [...]... TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƢỢNG MỚI VÀ TÁI TẠO 1.1 Các dạng năng lƣợng mới và tái tạo Năng lƣợng tái tạo (NLTT) hay năng lƣợng tái sinh là năng lƣợng từ những nguồn liên tục mà theo chuẩn mực của con ngƣời là vô hạn Nguyên tắc cơ bản của việc sử dụng năng lƣợng tái sinh là tách một phần năng lƣợng từ các quy trình diễn biến liên tục trong môi trƣờng tự nhiên và đƣa vào trong các sử dụng kỹ thuật cho một mục... mạng điện cục bộ Nhằm đƣa ra một mô hình mạng điện cục bộ nguồn điện khai thác từ NLTT có chất lƣợng cao nhờ thực hiện một số giải pháp kỹ thuật khắc phục một một số nhƣợc điểm căn bản của thủy điện nhỏ Nội dung nghiên cứu gồm những phần chính sau đây: - Khai niệm về mạng điện cục bộ - Phân tích đặc điểm của thủy điện nhỏ - Mô hình và đặc điểm hoạt động mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ - Giải pháp nâng cao. .. thủy điện sử dụng dòng hải lƣu SeaGen ở Bắc Ailen có công suất 1,2 MW đƣa vào vận hành (hình 1.6) Hình 1.5 Nhà máy điện thủy triều Rance, Hình 1.6 Trạm phát điện sử dụng dòng CH Pháp hải lƣu SeaGen, Bắc Ailen 1.7 Đề xuất hƣớng nghiên cứu Thông qua nội dung tổng quan về các dạng năng lƣợng mới và tái tạo, tác giả luận văn đề xuất hƣớng nghiên cứu của đề tài vào dạng năng lƣợng thủy điện nhỏ áp dụng cho. .. điện và tải tiêu thụ Hình 2 1 Mô tả mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ Để đáp ứng nhu cầu sử dụng điện ngày càng gia tăng đòi hỏi phải xây dựng thêm các nhà máy điện mới Trong đó, khuyến khích phát triển các nguồn điện công suất nhỏ đƣợc sản xuất theo công nghệ sạch nhƣ: thủy điện, điện sức gió, điện mặt trời, điện thủy triều V.V Đặc biệt, đối với các khu vực miền núi xa xôi hẻo lánh mà việc đƣa điện lƣới... đƣa vào khai thác sử dụng một cách khá hiệu quả Ví dụ nhƣ: năng lƣợng gió, năng lƣợng Mặt trời, thủy điện nhỏ, năng lƣợng từ đại dƣơng, dầu thực vật phế thải dùng để chạy xe, năng lƣợng từ tuyết, nguồn năng lƣợng địa nhiệt, khí Mêtan hydrate, năng lƣợng từ sự lên men sinh học Tuy nhiên, ở Việt Nam hiện nay với đặc điểm và điều kiện tự nhiên chúng ta chỉ quan tâm đến các dạng năng lƣợng chính là điện. .. (BXMT) thành điện năng, nhƣ pin Mặt trời Năng lƣợng của các photon cũng có thể đƣợc hấp thụ để làm nóng các vật thể, tức là chuyển thành nhiệt năng, ứng dụng cho bình đun nƣớc Mặt trời, các nhà máy nhiệt điện Mặt trời, các hệ thống máy điều hòa Mặt trời, V.V Trƣờng hợp khác, năng lƣợng của các photon có thể đƣợc hấp thụ và chuyển hóa thành năng lƣợng trong các liên kết hóa học của các phản ứng quang hóa,... Muốn khai thác năng lƣợng Mặt trời (NLMT) phải có thiết bị hấp thụ năng lƣợng của các sóng bức xạ, từ đó hình thành nhiều công nghệ khai thác khác nhau dựa trên các nguyên tắc chủ yếu sau: - BXMT - điện năng – phụ tải điện - BXMT - nhiệt năng – phụ tải nhiệt - BXMT - nhiệt năng – điện năng – phụ tải điện Năng lƣợng Mặt trời có thể sử dụng trong nhiều mục đích khác nhau tùy theo mục đích ngƣời sử dụng. .. kể các chất rắn không hòa tan và chất khí không ngƣng tụ Các giếng khoan dùng để lấy chất lỏng địa nhiệt sâu khoảng 200-3500m Từ giếng khoa có hệ thống đƣờng ống vận chuyển chất lỏng địa nhiệt tới các thiết bị trong nhà máy điện Thông thƣờng, Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 27 Các nguồn thủy nhiệt có nhiệt độ cao trên 2000C mới có thể áp dụng cho nhà máy điện địa nhiệt phát điện. .. ở các vùng nƣớc sâu 50-300m Các nhà khoa học rất kỳ vọng về diều TF và cho rằng đó là một nguồn năng lƣợng tuyệt vời cho Trái đất - Tiềm năng ở Việt Nam Kết quả đánh giá của Viện Khoa học Năng lƣợng Việt Nam, Việt Nam có tiềm năng khai thác nguồn năng lƣợng thủy triều khá cao bởi có rất nhiều vũng, vịnh, cửa sông, đầm phá và đặc biệt là có đƣờng bờ biển dài trên 3.200km Khu vực Quảng Ninh, mật độ năng. .. Trƣớc mắt, khai thác trên quy mô nhỏ, cục bộ cũng là rất thiết thực và đem lại hiệu quả to lớn Tiếp theo là hình thành mạng phân tán kết nối lƣới – Đó là mô hình tất yếu của một tƣơng lai gần Cho đến nay với sự nỗ lực vƣợt bậc của các Nhà khoa học trên toàn Thế giới và sự phát triển đồng bộ của các lĩnh vực khoa học, các nghiên cứu về tự nhiên môi trƣờng,… rất nhiều dạng năng lƣợng mới và tái tạo đã đƣợc . NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ LƢU TRỮ NĂNG LƢỢNG ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỆN NĂNG VÀ HIỆU QUẢ KHAI THÁC CHO CÁC HỆ NGUỒN NĂNG LƢỢNG MỚI VÀ TÁI TẠO Chuyên ngành : Kỹ thuật điện . ứng dụng bộ lƣu trữ năng lƣợng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 5 để nâng cao chất lƣợng điện năng và hiệu quả khai thác cho các hệ nguồn năng lƣợng mới và tái tạo là: - Nghiên cứu ứng dụng hệ thống tích trữ năng lƣợng trong mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ, nhằm mục đích nâng cao hiệu quả khai thác công suất nguồn phát và đảm bảo chất lƣợng điện năng cung