Nghiên cứu hệ thống điện lai năng lượng gió và mặt trời nối lưới

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM - HỒ MINH QUÂN NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỆN LAI NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ MẶT TRỜI NỐI LƯỚI 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 11 năm 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM - HỒ MINH QUÂN NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỆN LAI NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ MẶT TRỜI NỐI LƯỚI 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 11 năm 2017 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG 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 PGS TS Nguyễn Thanh Phương Chủ tịch PGS TS Dương Hoài Nghĩa Phản biện PGS TS Quyền Huy Ánh Phản biện PGS.TS Lê Minh Phương Ủy viên TS Nguyễn Minh Tâm 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 CƠNG NGHỆ TP.HCM CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC Độc lập – Tự – Hạnh phúc Tp.HCM, ngày tháng năm 2017 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: HỒ MINH QUÂN Giới tính: NAM Ngày, tháng, năm sinh: 15/10/1989 Nơi sinh: TP Hồ Chí Minh Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN MSHV: 1541830011 I- Tên đề tài: NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỆN LAI NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ MẶT TRỜI NỐI LƯỚI 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 hồn thành nhiệm vụ: V- Cán hướng dẫn: PGS TS HUỲNH CHÂU DUY CÁN BỘ HUỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) PGS TS Huỳnh Châu Duy KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) i 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 Hồ Minh Quân ii 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 15SMĐ11 động viên giúp đỡ tơi q trình thực đề tài luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Công nghệ Tp HCM; Khoa Cơ Điện - Điện tử Viện Đào tạo sau đại học tạo điều kiện tốt cho tơi hồn thành khóa học đề tài luận văn tốt nghiệp Hồ Minh Quân iii TÓM TẮT Luận văn thực nghiên cứu vấn đề liên quan đến, “Nghiên cứu hệ thống điện lai lượng gió mặt trời”mà bao gồm nội dung sau: - Chương 1: Giới thiệu chung - Chương 2: Cơ sở lý thuyết lượng mặt trời gió - Chương 3: 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 iv ABSTRACT The thesis presents issues relating to "Hibrid power systems of wind and solar energies" It consists of the following contents: - Chapter 1: Introduction - Chapter 2: Background to wind and solar energies - Chapter 3: Hybrid power systems of wind and solar energies - Chapter 4: Simulation results - Chapter 5: Conclusions and future works v MỤC LỤC LỜI CAM ÐOAN i LỜI CÁM ƠN ii TÓM TẮT iii ABSTRACT iv MỤC LỤC v DANH MỤC CÁC BẢNG viii DANH MỤC CÁC HÌNH ix Chương .1 Giới thiệu chung 1.1 Giới thiệu 1.2 Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu .1 1.3 Mục tiêu nhiệm vụ nghiên cứu 18 1.4 Phạm vi nghiên cứu 18 1.5 Giá trị thực tiễn luận văn 18 1.6 Nội dung luận văn 19 Chương 20 Cơ sở lý thuyết lượng mặt trời gió 20 2.1 Năng lượng mặt trời .20 2.1.1 Giới thiệu .20 2.1.2 Các công nghệ sử dụng lượng mặt trời 21 2.1.3 Các ưu nhược điểm lượng mặt trời .21 2.1.3.1 Ưu điểm 21 2.1.3.2 Nhược điểm 22 2.1.4 Pin mặt trời 22 2.1.4.1 Giới thiệu pin mặt trời 22 2.1.4.2 Cấu tạo pin mặt trời 23 2.1.4.3 Nguyên tắc hoạt động 26 2.1.4.4 Đặc tính pin mặt trời 26 2.1.5 Các mơ hình hệ thống pin mặt trời 31 2.1.6 Bộ biến đổi nguồn 33 vi 2.1.6.1 Giới thiệu 33 2.1.6.2 Bộ biến đổi tăng áp 34 2.1.6.3 Nguyên tắc hoạt động tăng áp 36 2.1.6.4 Mô hình tốn học biến đổi tăng áp .39 2.2 Năng lượng gió .42 2.2.1 Sự hình thành lượng gió 42 2.2.2 Lịch sử phát triển nguồn lượng gió 43 2.2.3 Năng lượng gió giới 44 2.2.4 Nguồn lượng gió Đơng Nam Á 45 2.2.5 Nguồn lượng gió Việt Nam .46 2.2.6 Ứng dụng lượng gió 49 2.2.7 Tuabin gió .53 2.2.8 Những thuận lợi khó khăn việc sử dụng lượng gió 54 2.2.8.1 Những thuận lợi .54 2.2.8.2 Những khó khăn .54 2.2.9 Cấu tạo tuabin gió .55 2.2.10 Nguyên lý làm việc .57 2.2.11 Hệ thống phát điện gió điển hình 61 2.2.11.1 Máy phát điện không đồng kiểu lồng sóc 61 2.2.11.2 Máy phát điện không đồng kiểu dây quấn 62 2.2.11.3 Máy phát điện khơng đồng kích từ kép 63 2.2.11.4 Máy phát điện đồng tự kích 66 2.2.11.5 Máy phát điện đồng từ trường vĩnh cửu 67 2.2.12 Kết nối máy phát điện gió với lưới điện .69 2.2.12.1 Điều khiển công suất tác dụng .69 2.2.12.2 Điều khiển công suất phản kháng ổn định điện áp 70 2.2.13 Cấu hình hệ thống nguyên lý hoạt động máy phát điện gió PMSG 71 2.2.14 Mơ hình tốn PMSG .73 2.2.14.1 Mơ hình máy phát điện gió PMSG hệ tọa độ abc 73 2.2.14.2 Mơ hình máy phát điện gió PMSG hệ tọa độ dq 74 98 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 Cuong dong dien pha A cua may phat dien gio, ia(A) Hình 4.12 Tốc độ gió khơng đổi, v1 = 12 (m/s) 15 10 -5 -10 -15 0.5 1.5 Thoi gian, t(s) 2.5 Hình 4.13 Cường độ dòng điện pha A máy phát điện gió PMSG, ia(A) với tốc độ gió khơng đổi, v1 = 12 (m/s) 99 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 khơng 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 dòng điện hệ thống điện lai lượng mặt trời gió, iabc(A) với cường độ xạ khơng đổi, G1 tốc độ gió khơng đổi, v1 100 400 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, công suất phát hệ thống điện mặt trời gió hòa đồng cung cấp cho phụ tải với tín hiệu cường độ dòng 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) 101 + Tốc độ gió khơng đổi, v2 = 12 (m/s) 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) 102 700 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) Cuong dong dien pha A cua may phat dien gio, ia(A) 103 15 10 -5 -10 -15 0.5 1.5 Thoi gian, t(s) 2.5 Hình 4.21 Cường độ dòng điện pha A máy phát điện gió PMSG, ia(A) 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) Cuong dong dien cua he thong dien lai, iabc(A) 104 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) 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) 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 hòa 105 đồng cung cấp cho phụ tải với tín hiệu cường độ dòng 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 dòng điện điện áp trì ổn định 4.2.3 Cường độ xạ thay đổi tốc độ gió thay đổi Mô 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 khơng đổi, v3() sau: t31 = - 1,5 (s): v31 = 12 (m/s); t32 = 1,5 - (s): v32 = (m/s); t33 = - (s): v33 = 10 (m/s) 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) 106 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) 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) 107 14 13 Toc gio, v(m/s) 12 11 10 0.5 1.5 2.5 Thoi gian, t(s) Cuong dong dien pha A cua may phat dien gio, ia(A) Hình 4.28 Tốc độ gió thay đổi, v3 (m/s) 15 10 -5 -10 -15 0.5 1.5 2.5 Thoi gian, t(s) Hình 4.29 Cường độ dòng điện pha A máy phát điện gió PMSG, ia(A) 108 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) 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) 109 400 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) Từ kết mô cho trường hợp cường độ xạ thay đổi tốc độ gió thay đổi, công suất phát hệ thống điện mặt trời gió hòa đồng cung cấp cho phụ tải với tín hiệu cường độ dòng 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 dòng điện điện áp trì ổn định 110 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 111 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 112 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 ... 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; ... khiển hệ thống lai lượng gió mặt trời lưới điện thông minh” giới thiệu việc xây dựng mơ hình điều khiển hệ thống điện lai lượng gió mặt trời [1] Sơ đồ khối hệ thống điện lai lượng gió mặt trời. .. thống điện lai ghép 84 3.3 Hệ thống điện lai lượng gió, mặt trời ắc-quy 84 3.4 Hệ thống điện lai lượng mặt trời pin nhiên liệu .85 3.5 Hệ thống điện lai lượng mặt trời gió 86