Sử dụng tối ưu nguồn năng lượng gió và năng lượng mặt trời trong lưới điện MICROGRID

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM - NGUYỄN ANH TUÂN SỬ DỤNG TỐI ƯU NGUỒN NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TRONG LƯỚI ĐIỆN MICROGRID LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Mã số ngành: 60520202 TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM - NGUYỄN ANH TUÂN SỬ DỤNG TỐI ƯU NGUỒN NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TRONG LƯỚI ĐIỆN MICROGRID LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Mã số ngành: 60520202 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS.NGUYỄN THANH PHƯƠNG TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2018 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM Cán hướng dẫn khoa học : PGS.TS Nguyễn Thanh Phương Luận văn Thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Công nghệ TP HCM ngày 28 tháng 07 năm 2018 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) T T1 C P h G P P G TS.bi P Võ P bi G TS.Ủ Đoàv 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 VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc TP HCM, ngày 16 tháng 07 năm 2018 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN ANH TUÂN Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 28/11/1991 Nơi sinh: Phan Thiết – Bình Thuận Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện MSHV: 1641830022 I- Tên đề tài: SỬ DỤNG TỐI ƯU NGUỒN NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TRONG LƯỚI ĐIỆN MICROGRID II- Nhiệm vụ nội dung: - Tìm hiểu hệ thống microgrid nước phát triển - Tìm hiểu nguồn phát lượng sạch: lượng mặt trời lượng gió - Xây dựng chương trình điều khiển sử dụng ưu tiên từ nguồn lượng tái tạo hệ thống lưới điện microgrid - Dùng phần mềm Matlad để mô hệ thống điều khiển microgrid III- Ngày giao nhiệm vụ: 09/01/2018 IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 16/07/2018 V- Cán hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Thanh Phương CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu Luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tơi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực Luận văn cảm ơn thơng tin trích dẫn Luận văn rõ nguồn gốc Học viên thực Luận văn (Ký ghi rõ họ tên) Nguyễn Anh Tuân ii LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy Nguyễn Thanh Phương, người tận tình hướng dẫn, bảo, giúp đỡ em thực hoàn thành luận văn Em xin cảm ơn đến quý thầy cô giảng dạy em thời gian học chương trình cao học lớp cao học 16SMĐ11 trường đại học Công nghệ TP.HCM Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè ln động viên tơi suất q trình học tập thực luận văn Nguyễn Anh Tuân TÓM TẮT Trong bối cảnh thời đại cơng nghiệp hóa đại hóa, mà nhu cầu điện tăng cao để cung cấp cho hoạt động sản xuất sinh hoạt Bên cạnh nguồn nhiên liệu hóa thạch than đá, dầu mỏ, khí đốt đáp ứng phần lớn nhu cầu lượng người khơng bền vững Việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch nguyên nhân gây biến đổi khí hậu chí làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe người Hơn nữa, nguồn nhiên liệu nói dần cạn kiệt, việc nghiên cứu sử dụng nguồn lượng tái tạo như: lượng gió, lượng mặt trời hay lượng sinh khối nhu cầu tất yếu Việc sử dụng lượng hiệu quả, đặc biệt sử dụng lượng tái tạo nâng cao chất lượng khơng khí cho người dân, giảm áp lực nhập nguồn nguyên liệu hóa thạch sản xuất điện Theo nghiên cứu cho nước ta quốc gia có nguồn lượng tái tạo phong phú, đa dạng lượng gió, mặt trời, lượng sinh khối, Nhưng để sử dụng cách hiệu quả, tin cậy từ nguồn lượng để sản xuất điện đáp ứng cho hoạt động sản xuất đời sống hàng ngày, nội dung nghiên cứu luận văn tập trung vào nghiên cứu hệ thống điều khiển lưới điện Microgrid, sử dụng tối ưu nguồn lượng tái tạo (từ lượng mặt trời, lượng gió) cung cấp cho tải MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii TÓM TẮT iii MỤC LỤC iv DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC HÌNH vii CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1Đặt vấn đề 1.2Tính cấp thiết đề tài 1.3Mục tiêu phạm vi nghiên cứu 1.4Phương pháp nghiên cứu: 1.5 Nội dung luận văn: CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU 2.1 Hệ thống Microgrid gì? 2.2 Khái niệm hệ thống microgrid: 2.3 Cấu trúc hoạt động hệ thống Microgrid 2.3.1 Chế độ kết nối lưới: 2.3.2 Chế độ cô lập với lưới: .8 2.3.3 Chế độ sử dụng nguồn lượng tích trữ: .8 2.4 Tổng quan lượng gió Việt Nam tiềm phát triển 2.4.1 Thực trạng sử dụng lượng gió Việt Nam 10 2.4.2 Ảnh hưởng môi trường xung quanh sử dụng lượng gió 12 2.5 Tổng quan lượng mặt trời Việt Nam tiềm phát triển 14 2.5.1 Thực trạng sử dụng mặt trời Việt Nam .16 2.5.2 Ảnh hưởng môi trường xung quanh sử dụng lượng mặt trời 17 2.6 Tổng quan điện lưới Việt Nam 17 CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT VÀ TÍNH TỐN 19 3.1 Pin lượng mặt trời phương trình tốn pin lượng mặt trời 19 3.1.1 Pin lượng mặt trời 19 3.1.2 Phân loại pin mặt trời 19 3.1.3 Phương trình tốn pin lượng mặt trời 20 3.1.4 Các bước thiết kế hệ thống pin lượng mặt trời 22 3.2 Năng lượng điện gió phương trình tốn turbine điện gió 24 3.2.1 Năng lượng gió 24 3.2.2 Phân loại turbine gió 25 3.2.3 Cấu tạo turbine gió: 28 3.2.4 Nguyên lý hoạt động turbine gió 29 3.2.5 Phương trình tốn turbine gió 30 3.2.6 Máy phát điện 32 3.3 Pin lưu trữ lượng (Battery) 33 3.3.1 Nguyên lý hoạt động pin axít chì .34 CHƯƠNG 4: MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG 36 4.1 Sơ đồ kết nối máy phát điện gió pin lượng mặt trời cung cấp cho tải qua điều khiển microgrid 36 4.2 Khối pin lượng mặt trời mô Simulink/Matlab 37 4.3 Khối turbine gió 38 4.4 Khối điều khiển pin lưu trữ lượng (battery) 39 4.5 Khối microgrid control 40 4.5.1 Thuật toán điều khiển .42 CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 43 5.1 Trường hợp thay đổi cơng suất turbine gió pin mặt trời 43 5.1.1 Trường hợp nghiên cứu 43 5.1.2 Kết mô khối pin lượng mặt trời .43 5.1.3 Kết mô turbine gió 44 5.1.4 Kết mô Battery 44 5.2 Trường hợp thay đổi cơng suất turbine gió 45 5.2.1 Trường hợp nghiên cứu 45 5.2.2 Kết mô khối pin lượng mặt trời .45 5.2.3 Kết mô turbine gió 46 5.2.4 Kết mô Battery 47 5.3 Điện áp ngõ 48 6.1 Kết luận đánh giá 50 6.2 Các vấn đề thực luận văn 50 6.3 Đề nghị hướng phát triển luận văn 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO .51 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT S T T D E M G M C D M D S P 10 11 21 DiễD n i DN i gB Mộ i Mi B cr D ộ H i ệ DistBộ ribu P nh C o T T Đ H o ộ W W N B Ba D Tgâ G e ổ I H Hu T A oV T u V A uT S eState O of Nă r N L ng 4.3 Khối turbine gió Hình 4.4: Sơ đồ khối turbin gió (Matlab/Simulink) Nhiệm vụ khối dựa vào giá trị ngõ vào để tính tốn mơ phòng xuất giá trị dòng điện pha xoay chiều tương ứng với vận tốc gió điều kiện vận hành máy phát Với đặc thù vận tốc quay turbine gió thấp máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu hoạt động hiệu cơng suất quay lớn Do đó, hộp số có tỉ số bánh cố định dùng để thay đổi tốc độ quay máy phát điện turbine gió Khối turbine gió nhận giá trị vận tốc gió từ bên ngồi giá trị vận tốc góc quay từ máy phát để tính tốn cơng suất mà turbine gió thu từ mơi trường bên ngồi Trong đó, turbine gió loại turbine cánh có chiều dài cánh 2m, cánh quạt có góc pitch cố định thiết lập với β = nhằm thu công suất tối đa, mật độ khơng khí xem giữ ngun suất q trình mơ lắp đặt gần có độ cao thấp, ven biển Khối máy phát điện đồng năm châm vĩnh cửu: máy phát điện nhận giá trị công suất từ turbine gió dạng mơ men xoắn tính tốn khối turbine giá trị dòng điện ba pha ngõ tương ứng 4.4 Khối điều khiển pin lưu trữ lượng (battery) Hình 4.5: Sơ đồ khối Battery (Matlab/Simulink) Khối battery có chức bù lượng thiếu hụt cơng suất để trì ổn định điện áp nút tải, trì kéo dài pin hết lượng lượng lưu trữ, khối battery axít chì cho lý tưởng Trong luận văn có theo dõi trạng thái pin (SOC) để dự đón lượng pin lưu trữ, thể hiện: + Pin đầy lượng: - SOC = ( tương ứng 100%) + Pin cạn lượng: - SOC = 0.1 (tương ứng 1%) Nhưng để kéo dài tuổi thọ sử dụng pin thông thường nhà sản xuất thường khuyến cáo nên sạc xả lượng pin 0.3 < SOC > 0.6 Khi hệ thống có dao động điện áp xuất thiếu hụt công suất từ nguồn cung cấp Thông qua hệ thống điều khiển, bù pin để ổn định công suất tải 4.5 Khối microgrid control Hình 4.6: Khối Micogrid control in Matlab/Simulink Mơ hình toán học hệ thống điều khiển dựa quản lý nguồn lượng nguồn phát tải Từ xây dựng phương trình điều khiển cơng suất đáp ứng kịp thời cơng suất cấp cho tải có thay đổi từ môi trường ảnh hưởng đến công suất phát turbine gió pin lượng mặt trời; Các tín hiệu đầu vào từ cơng suất pin mặt trời (PPV), cơng suất turbine gió (PW), cơng suất tải (PL), SOC pin lưu trữ Tín hiệu đầu g1 để sạc pin, g2 để xả pin, g3 để bật/tắt lưới Xây dựng hệ thống quản lý lượng: - Tổng lượng sinh từ lượng tái tạo (PE: tổng công suất NLTT) : PPV + PW = PE - So sánh PL PE: Nếu PE > PL Tắt nguồn điện từ lưới vào (g3 = 0), sau kích hoạt điều khiển điều khiển sạc g1=1 g1=0; Nếu PE < PL Xả pin để cung cấp thêm cho tải, điều khiển điều khiển sạc g2=1 SOC > 0.6, không g2 = 0; Nếu SOC < 0.6 Cung cấp điện từ lưới vào hệ thống g3 = 4.5.1 Thuật toán điều khiển Start Read Pp, Pw , SOC, PL P p + Pw = P E PE < P L No Yes Charging Battery g1=1 Check if SOC 0.6 No No Don’t Charge Battery g1=0 Discharging Battery g2=1 Till SOC =0.3 Hình 4.7: Sơ đồ thuật tốn điều khiển Take power from grid g3 = CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 5.1 Trường hợp thay đổi cơng suất turbine gió pin mặt trời 5.1.1 Trường hợp nghiên cứu Trong thực mô khối pin lượng mặt trời có cơng suất định mức 10 KW, máy phát điện gió có cơng suất 15 KW, pin lưu trữ lượng kết nối vào hệ thống Trường hợp nghiên cứu có thay đổi lượng gió (tốc độ gió) lượng mặt trời (bức xạ mặt trời) 5.1.2 Kết mô khối pin lượng mặt trời Khối pin lượng mặt trời có cơng suất định mức 10 KW kết hợp với hệ thống máy phát điện gió để cung cấp cơng suất cho tải điều kiện có thay đổi xạ mặt trời Công suất pin lượng mặt trời phụ thuộc vào hai thơng số lượng xạ nhiệt độ môi trường Trong nghiên cứu ta xét liên tục lượng xạ, coi nhiệt độ không đổi Thời gian thay đổi xạ mặt trời từ 0-2 giây 10 (KW.m2) từ giây trở giảm 8.5 (KW.m2) Hình 5.1: Công suất pin mặt trời (1) 5.1.3 Kết mô turbine gió Cơng suất định mức turbin gió 15 KW, công suất thức thời thay đổi theo vận tốc gió đầu vào việc điều chỉnh góc cánh gió, giả định giá trị tốc độ gió thay đổi 5m/s đến 12 m/s thời điểm mô đến 0,5s; từ 12 m/s đến 9m/s 0.5 đến 4s Hình 5.2: Cơng suất turbine gió (1) 5.1.4 Kết mơ Battery Khi microgrid sử dụng lượng gió mặt trời cung cấp, thời điểm dao động điện xảy không đủ cung cấp cho tải hệ thống microgrid Bộ điều khiển hoạt động cách bù lượng thiếu hụt cách bơm từ battery Hình 5.3: Cơng suất battery (1) Qua (hình 5.4) ta thấy giá trị công suất pin thời điểm từ đến 0,5s tăng cao (battery chế độ xả lượng) lúc có cơng suất hệ thống pin lượng mặt trời, phải bơm công suất vào để bù phần công suất thiếu hụt giữ cân tải Thời điểm từ 0.5 đến 2s công suất phát battery giảm hệ thống bơm thêm cơng suất turbine gió Tương tự từ giây thứ đến giây thứ hệ thống pin lượng mặt trời giảm battery xả, bơm cơng suất cho tải Hình 5.4: Cân cơng suất cho tải (1) 5.2 Trường hợp thay đổi công suất turbine gió 5.2.1 Trường hợp nghiên cứu Trong thực mơ khối pin lượng mặt trời có cơng suất định mức 10 KW, máy phát điện gió có cơng suất 15 KW, pin lưu trữ lượng kết nối vào hệ thống Trường hợp nghiên cứu thay đổi lượng gió (tốc độ gió) 5.2.2 Kết mơ khối pin lượng mặt trời Khối pin lượng mặt trời có cơng suất định mức 10 KW kết hợp với hệ thống máy phát điện gió để cung cấp cơng suất cho tải điều kiện có thay đổi xạ mặt trời Công suất pin lượng mặt trời phụ thuộc vào hai thơng số lượng xạ nhiệt độ môi trường Trong nghiên cứu ta xét liên tục lượng xạ, coi nhiệt độ không đổi Không thay đổi xạ mặt trời 10 (KW.m2) Hình 5.5: Cơng suất pin mặt trời (2) 5.2.3 Kết mơ turbine gió Cơng suất định mức turbin gió 15 KW, công suất thức thời thay đổi theo vận tốc gió đầu vào việc điều chỉnh góc cánh gió, giả định giá trị tốc độ gió thay đổi 5m/s đến 12 m/s thời điểm mô đến 0,5s; từ 12 m/s đến 9m/s 0.5 đến 4s Hình 5.6: Cơng suất turbine gió (2) 5.2.4 Kết mô Battery Như mô tả phần trên, microgrid sử dụng lượng gió mặt trời cung cấp, thời điểm dao động điện xảy không đủ cung cấp cho tải hệ thống microgrid Bộ điều khiển hoạt động cách bù lượng thiếu hụt cách bơm từ battery Hình 5.7: Cơng suất battery (2) Qua (hình 5.9) ta thấy giá trị cơng suất pin thời điểm từ đến 0,5s tăng cao (battery chế độ xả lượng) lúc có cơng suất hệ thống pin lượng mặt trời, hệ thống điều khiển phải bơm công suất vào để bù phần công suất thiếu hụt giữ cân tải Thời điểm từ 0.5 đến 4s công suất phát battery giảm hệ thống bơm thêm cơng suất turbine gió Hình 5.8: Cân cơng suất cho tải (2) 5.3 Điện áp ngõ Khi pin lượng mặt trời có dao động cơng suất, hệ thống microgrid chuyển sang trạng thái cách ly thời điểm t=2s, dao động không xảy nhiều trì điện áp cung cấp cho tải (Hình 5.9) Hình 5.9: Điện áp ngõ DC pin mặt trời Hình 5.10 bên dạng sóng điện áp DC sau chỉnh lưu từ máy phát turbine gió, điện áp DC đáp ứng nhanh với thay đổi tốc độ gió Hình 5.10 Điện áp ngõ DC turbine gió Qua hình 5.11 nhận thấy thay đổi công suất nguồn phát thay đổi từ môi trường tự nhiên Hệ thống điều khiển kịp thời cân công suất ngõ ra, cung cấp điện áp cho tải Hình 5.11: Điện áp ngõ cung cấp cho tải CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 Kết luận đánh giá Qua q trình mơ hệ thống microgrid, đồ thị dạng sóng Một số nhận xét rút ra: - Hệ thống pin lượng mặt trời turbine gió có thay đổi cơng suất có thay đổi cường độ xạ mặt trời, vận tốc gió từ mơi trường bên ngồi - Hệ thống điều khiển hoạt động tức thời có thay đổi cơng suất từ nguồn cung cấp, kịp thời bơm công suất từ battery để bù công suất thiếu hụt cho tải để cân 6.2 Các vấn đề thực luận văn - Nghiên cứu hoạt động hệ thống Microgrid mà nước phát triển sử dụng - Tìm hiểu lĩnh vực phát điện lượng mặt trời lượng gió, thuận lợi, khó khăn việc phát triển lượng mặt trời lượng gió tiềm phát triển lượng Việt Nam - Tìm hiểu hệ thống chuyển đổi lượng, hiệu suất vận hành hệ thống mặt trời , lượng gió - Xây dựng mơ hình hệ thống điều khiển matlab/simulink, điều khiển công suất tác dụng cung cấp cho hệ thống phụ thuộc vào môi trường tự nhiên 6.3 Đề nghị hướng phát triển luận văn - Thực hệ thống thực tế, so sánh hai kết với để từ ứng dụng sử dụng lượng vào cung cấp điện cho hệ thống - Nghiên cứu thêm giải thuật bám công suất cực đại từ nguồn phát để ổn định giảm thiểu nhấp nhô công suất turbine gió pin mặt trời - Nghiên cứu mạch nghịch lưu ba pha kết nối lưới điện để kết nối lưới điện ba pha cung cấp cho phụ tải ba pha lưới điện phân phối TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Huỳnh Châu Duy – Hồ Đắc Lộc, “ Năng lượng tái tạo bảo vệ môi trường”, nhà xuất đại học quốc gia thành phố Hồ Chí Minh [2] Đặng Đình Thống, (2005) Pin mặt trời ứng dụng, Nhà xuất Khoa học Kỹ Thuật [3] Nguyễn Ngọc, Điện gió, Nhà xuất lao động, 2012 [4] Nguyễn Phùng Quang, Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, 2006 [5] S Dihrab, and K Sopian, “Electricity generation of hybrid PV/wind systems in Iraq,” Renewable Energy, vol 35, pp 1303-1307, Jun 2010 [6] M R Islam, H A Gabbar, “Analysis of Microgrid Protection Strategies,” IEEE International Conference on Smart Grid Engineering, August, 2012 [7] R Singh and K Shenai, “Dc microgrids and the virtues of local electricity,” in IEEE Spectrum, 2014 [8] http://gizenergy.org.vn/vn/ [9] http://nangluongvietnam.vn/news/vn/trang-chu [10] https://www.evn.com.vn/ ... ngành: Kỹ Thuật Điện MSHV: 1641830022 I- Tên đề tài: SỬ DỤNG TỐI ƯU NGUỒN NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TRONG LƯỚI ĐIỆN MICROGRID II- Nhiệm vụ nội dung: - Tìm hiểu hệ thống microgrid nước...BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM - NGUYỄN ANH TUÂN SỬ DỤNG TỐI ƯU NGUỒN NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TRONG LƯỚI ĐIỆN MICROGRID LUẬN VĂN THẠC... nghiên cứu sử dụng nguồn lượng tái tạo như: lượng gió, lượng mặt trời hay lượng sinh khối nhu cầu tất yếu Việc sử dụng lượng hiệu quả, đặc biệt sử dụng lượng tái tạo nâng cao chất lượng khơng