Nghiên cứu ứng dụng bánh đà lưu trữ năng lượng trong khai thác năng lượng tái tạo

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP PHẠM NGỌC DŨNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BÁNH ĐÀ LƯU TRỮ NĂNG LƯỢNG TRONG KHAI THÁC NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO LUẬN VĂN THẠC SĨ CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN KHOA CHUYÊN MÔN HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TRƯỞNG KHOA PGS.TS LẠI KHẮC LÃI PHÒNG ĐÀO TẠO Thái Nguyên, năm 2019 Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn i LỜI CAM ĐOAN Tên là: Phạm Ngọc Dũng Sinh ngày 07 tháng 08 năm 1991 Học viên lớp cao học khóa 20 – Kỹ thuật điện – Trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên Sau hai năm học tập nghiên cứu, dậy giúp đỡ tận tình thầy giáo đặc biệt thầy giáo hướng trực tiếp dẫn thực luận văn tốt nghiệp PGS TS Lại Khắc Lãi Tơi hồn thành chương trình học tập đề tài luận văn tốt nghiệp: Nghiên cứu ứng dụng bánh đà lưu trữ lượng khai thác lượng tái tạo Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Ngồi tài liệu tham khảo trích dẫn, số liệu kết mô phỏng, thực nghiệm thực hướng dẫn PGS TS Lại Khắc Lãi trung thực Thái Nguyên, ngày 10 tháng 10 năm 2019 Học viên Phạm Ngọc Dũng Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn ii LỜI CẢM ƠN Sau khoảng thời gian nghiên cứu làm việc, động viên giúp đỡ hướng dẫn tận tình thầy giáo PGS TS Lại Khắc Lãi, luận văn với đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng bánh đà lưu trữ lượng khai thác lượng tái tạo” hoàn thành Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến: Thầy giáo hướng dẫn: PGS TS Lại Khắc Lãi tận tình dẫn, giúp đỡ tác giả hồn thành luận văn Khoa đào tạo Sau đại học, thầy cô giáo Khoa Điện – Trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên giúp đỡ tác giả suốt trình học tập trình nghiên cứu khoa học thực luận văn Toàn thể học viên lớp Cao học Kỹ Thuật Điện khóa 20, đồng nghiệp, bạn bè, gia đình quan tâm, động viên giúp đỡ tác giả suốt trình học tập hoàn thành luận văn Mặc dù cố gắng, nhiên trình độ kinh nghiệm nhiều hạn chế nên luận văn gặp phải vài thiếu sót Tác giả mong nhận đóng góp ý kiến từ thầy cô giáo bạn đồng nghiệp để luận văn hoàn thiện Xin chân thành cảm ơn! Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC BẢNG VÀ HÌNH VẼ vi DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT viii MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Cấu trúc luận văn gồm chương CHƯƠNG 1: LƯU GIỮ NĂNG LƯỢNG ĐIỆN 1.1 TẦM QUAN TRỌNG CỦA LƯU TRỮ NĂNG LƯỢNG ĐIỆN 1.1.1 Các đặc trưng điện 1.1.2 Nhu cầu lưu trữ điện 1.2 CÁC HÌNH THỨC LƯU GIỮ NĂNG LƯỢNG TRUYỀN THỐNG 1.1.1 Acqui 1.2.2 Pin nạp xả 14 a Phân biệt Pin Ắc quy 14 b Các thông số pin 14 1.3 BÁNH ĐÀ LƯU TRỮ NĂNG LƯỢNG 18 1.3.1 Tổng quan 18 1.3.2 Cấu tạo bánh đà lưu trữ lượng 20 1.3.3 Nguyên lý hoạt động bánh đà lưu trữ lượng 21 1.3.4 Đặc điểm bánh đà lưu trữ lượng 22 1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 22 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn CHƯƠNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO 23 2.1 Tổng quan lượng tái tạo 23 2.1.1 Khái niệm lượng tái tạo 23 2.1.2 Phân loại lượng tái tạo 24 2.1.3 Vai trò lợi ích lượng tái tạo 27 2.2 VẤN ĐỀ KHAI THÁC SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO Ở VIỆT NAM 28 2.2.1 Tiềm 28 2.2.2 Vấn đề khai thác lượng tái tạo Việt Nam 32 1.2.3 Xu phát triển điện gió điện mặt trời Việt Nam 33 2.3 KHAI THÁC NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO DƯỚI DẠNG ĐIỆN NĂNG 35 2.3.1 Hệ thống điện gió 35 2.3.2 Điện mặt trời 38 2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 41 CHƯƠNG BÁNH ĐÀ LƯU TRỮ NĂNG LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN TÍCH HỢP CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO 42 3.1 TỔNG QUAN 42 3.1.1 Hệ thống tích hợp điện mặt trời điện gió 42 3.1.2 Đặc điểm hệ thống tích hợp điện gió điện mặt trời 44 3.1.3 Tính cấp thiết phải ổn định điện áp công suất hệ thống tích hợp điện gió mặt trời 44 3.2 HOẠT ĐỘNG CỦA BÁNH ĐÀ LƯU TRỮ NĂNG LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN TÍCH HỢP NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO 45 3.2.1 Cấu trúc hệ thống bánh đà lưu trữ lượng 45 3.2.2 Nguyên lý điều khiển hoạt động FESS hệ thống 46 3.3 ĐIỀU KHIỂN HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG BÁNH ĐÀ LƯU TRỮ NĂNG LƯỢNG 48 3.3.1 Xây dựng mơ hình toán hệ thống FESS 49 1) Bánh đà 49 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 2) Máy điện không đồng 50 Bộ biến đổi 53 Điều chế véc tơ không gian 54 Sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ thống FESS 57 3.4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 57 3.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 61 KẾT LUẬN CHUNG 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 63 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn DANH MỤC BẢNG Bảng 1: Tiềm nguồn lượng tái tạo Việt Nam 29 Bảng 2: Công suất lượng tái tạo khai thác Việt Nam 33 Bảng 1: Chu kỳ đóng/cắt van sector 56 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn vii DANH MỤC HÌNH VẼ Tr a H ìn H in H ìn H ìn H ìn H ìn hH ìn H ìn H ìn 1, H ìn H ìn H ìn H ìn H ìn H ìn H ìn H ìn H ìn H ìn H ìn H ìn H ìn H ìn h Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn viii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT DER (Distributed Ennergy resouces) Nguồn lượng phân tán ESS (Energy Storage System) Hệ thống lưu trữ lượng Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn viii FESS (Flywheel Energy Storage System) Hệ thống bánh đà lưu trữ lượng Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn E dref  PI '  idsref  i ds  E qref  PI '  iqsref  i qs    pF + MR r iqs ref Lr rref Điều chế véc tơ không gian Việc điều khiển hoạt động biến đổi thực nhờ điều chế độ rộng xung (PWM) Trong luận văn sử dụng phương điều chế vector khơng gian (SVM), phương pháp điều chế kỹ thuật số coi kỹ thuật điều chế độ rộng xung tốt biến tần ba pha SVM có nhiều ưu điểm tần số chuyển đổi không đổi, tối ưu tổn thất chuyển mạch tối ưu sóng hài Véc tơ điều chế khơng gian cho Inveter pha có tám trạng thái, trạng thái xác định vector không gian điện áp Hinh 3.7, sáu vectơ không gian điện áp (U1 đến U6) chia tồn khơng gian thành sáu phần từ đến (6 secter), hai véc tơ khơng U0 U7 nằm gốc Góc hai secter khác không liền kề 60 ° Hình 7: Các véc tơ khơng gian SVM Trong SVM, điện áp tham chiếu hệ tọa độ (dq) chuyển qua hệ tọa độ (αβ) thông qua biến đổi Clark Va = Vd cos q- Vq sin q Vb = Vd sin q + Vq cos q (3.21) SVM thực thơng qua bước sau: 1) Tính điện áp góc pha tham chiếu (Uref) theo biểu thức: U ref  U   U2   tan 1  U  U    (3.22) 2) Xác định vị trí sector, điều thực cách lấy góc tính từ bước cuối cungd sau so sánh với phạm vi góc sector; 3) Tính hệ số điều chế (m) khoảng thời gian T1, T2, T0; sin   /   T1  Ts m sin   / 3 sin  T 2 T s.m sin   / 3 T0  Ts   T1  T2  Trong đó: Ts  (3.23) U ; m  ref fs U dc 4) Xác định thời gian đóng cắt van (S1 - S6) Sau tính T1, T2 T0 ta xác định thời gian xung SVM đóng cắt van (bảng 1) Bảng 1: Chu kỳ đóng/cắt van sector S NN e h h S S T T S S T T S S T T S S T T S S T T T S T S S T T S S T T S S T T S S T T S S T T S S T T S S T T S S T T S S T T S S T T S S T T S S T T 4.3.2 Sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ thống FESS Sơ đồ điều khiển hệ thống FESS biểu diễn Hình 3.8 Trong sơ đồ tín hiệu tham chiếu pref xác định theo biểu thức (3.2) pref uq ωf Tính iq-ref iq-ref PI2 - Tính ϕref - PI1 PI3 - uq dq ud uα αβ uβ VSM Converter id-ref φ θ θ dq ước lượng từ thơng abc ωf Hình 8: Sơ đồ điều khiển FESS 3.4 Kết mô Để thấy rõ hoạt động hệ thống bánh đà việc bù đắp thiếu hụt bất thường lượng hệ thống điện gió mặt trời sinh ta tiến hành mô hệ thống Matlab-Simulink với kịch mô thông số sau: a) Kịch mô phỏng: Ta biết nguyên nhân bất ổn định lượng hệ thống điện mặt trời + gió cung cấp cho tải có biến động bất thường điều kiện môi trường xạ mặt trời biến đổi, lượng gió biến đổi, … Bài toán điều khiển đặt ta giữ ổn định cơng suất hệ thống điện mặt trời + gió + FESS cung cấp cho tải có biến thiên đột ngột xạ mặt trời, dẫn đến biến thiên đột ngột công suất pin quang điện Ở trạng thái làm việc bình thường cơng suất hệ thống điện mặt trời + gió cung cấp đủ cơng suất để trì trạng thái làm việc ổn định hệ thống p1 = p2 Giả thiết biến động bất thường xạ mặ trời lượng PV cung cấp cho lươí bị thiếu hụt lượng 50kW thời gian 10 giây, hệ thống bánh đà tích lũy lượng trước xả lượng để bù vào thiếu hụt Pw = PG - PR = 500kW (3.24) b) Thông số mơ - Mơ men qn tính bánh đà: Jf = 150kg/m2 - Máy điện không đồng kết nối với bánh đà có thơng số: o Cơng suất máy điện kết nối với bánh đà: Pf = 50kW; o Số đôi cực: p = 2; o Điện trở stator: Rs = 0,05Ω; o Điện trở rotor: Rr = 0,043Ω; o Điện cảm stator: Ls = 40,7.10-3H; o Điện cảm rotor: Lr = 40,1.10-3H; o Hỗ cảm stator rotor: M = 40.10-3H o Vận tốc ban đầu bánh đà: 1500 vòng / phút (157 rad/s) công suất tham chiếu công suất danh định máy không đồng (50kW) - Thời gian mô 10s Các kết mô hình từ Hình 3.9 đến Hình 3.12 Trong đó: - Hình 3.9 đáp ứng tốc độ máy điện tích hợp bánh đà; - Hình 3.10 đường cong từ thông tham chiếu từ thông thực máy điện nối với bánh đà - Hình 3.11 cơng suất tham chiếu, đáp ứng cơng suất thu - phát FESS - Hình 3.12 công suất tham chiếu đáp ứng công suất thu - phát FESS công suất tổng hệ thống điện gió + mặt trời + FESS cấp cho tải Hình 3.13 đường cong điện áp dòng điện pha máy điện (dòng pha Hình 3.9: Đáp ứng tốc độ máy điện FESS Hình 3.10: Đáp ứng từ thơng động Hình 3.11: Đáp ứng cơng suất FESS Hình 3.12: Đáp ứng cơng suất FESS công suất hệ thống bơm vào lưới ua 5*ia Hình 3.13: Đường cong điện áp dòng điện pha khoảng thời gian từ 2,44s đến 2,66s *Nhận xét: Kết mô ta thấy cơng suất hệ thống điện gió + mặt trời dao động khoảng thời gian từ đến 2,25 giây tốc độ bánh đà xuất phát từ giá trị ban đầu (157 rad/s) tăng tốc lên 250 rad/s Trong khoảng thời gian máy điện làm việc chế độ động (công suất dương) Trong khoảng thời gian từ 2.25 - giây, tốc độ bánh đà giảm từ 250rad/s xuống 157rad/s, máy điện làm việc chế độ máy phát (công suất âm), lượng lưu trữ bánh đà dạng động đưa bù vào phần lượng hao hụt pin quan điện Tương tự khoảng thời gian từ lại Kết ta có tổng cơng suất hệ thống PV + FFSS bơm vào lưới không thay đổi 3.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG Chương trình bày cấu trúc hệ thống điện gió + mặt trời có tịch hợp hệ thống bánh đà lưu trữ lượng; mô tả hoạt động FESS, xây dựng mơ hình tốn học hệ thống FESS ngun tắc điều khiển chúng Đồng thời tiến hành mô cho kịch cụ thể để minh chứng vai trò hệ thống FESS việc ổn định cơng suất hệ thống điện gió + mặt trời làm việc độc lập KẾT LUẬN CHUNG Sau thời gian làm luận văn với đề tài: “Điều khiển ổn định vi lưới có nguồn lượng tái tạo” hướng dẫn PGS.TS Lại Khắc Lãi đạt số kết sau: - Đã tìm hiểu hình thức lưu trữ điện truyền thống hệ thống bánh đà lưu trữ lượng; - Trình bày tầm quan trọng việc lưu trữ lượng điện nhằm tiết kiệm điện cân cung - cầu điện thời điểm; - Tìm hiểu tổng quan lượng tái tạo, tiềm vấn đề khai thác lương tái tạo giới Việt Nam; vấn đề khai thác lượng gió lượng mặt trời dạng điện năng; - Xây dựng cấu trúc hệ thống điện gió + mặt trời làm việc độc lập có tích hợp hệ thống bánh đà lưu trữ lượng - Tính tốn, mơ hình hóa , mơ cho trường hợp cụ thể Kết mô cho thấy sử dụng bánh đà lưu trữ lượng để khắc phục thiếu hụt lượng tức thời hệ thống điện gió + mặt trời làm việc độc lập, đảm bảo cung cấp công suất ổn định cho tải Kiến nghị: Tiếp tục nghiên cứu để hoàn thiện hệ thống bánh đà lưu trữ lượng áp dụng cân cung - cầu ổn định điện áp cho lưới điện nhỏ trạm phát điện độc lập TÀI LIỆU THAM KHẢO [1 L ] ại K h ắc L [2 L ] a i [3 K K ] h a c L [4 M ] L o [5 kM ] ih n [6 ea M ] M o [7 P ] Si v a Sr 64 [8 K ] c La i La [9 L ] K [1 J 0] K i m , [1 S 1] B e [1 S 2] a l i [1 m I 3] J I Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 65 [1 Y 4] on g Xi ao , [1 S 5] a t i s [1 S 6] ei fe d [1 di A 7] s h o k K [1 A 8] F [1 Aa 9] ka sh B Ra Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn ... BÁNH ĐÀ LƯU TRỮ NĂNG LƯỢNG 18 1.3.1 Tổng quan 18 1.3.2 Cấu tạo bánh đà lưu trữ lượng 20 1.3.3 Nguyên lý hoạt động bánh đà lưu trữ lượng 21 1.3.4 Đặc điểm bánh đà lưu. .. thống khí Trong ứng dụng vậy, xung lượng góc bánh đà cố ý chuyển tải lượng chuyển đến từ bánh đà Việc sử dụng bánh đà lưu giữ lượng nhằm nâng cao chất lượng điện khai thác từ nguồn lượng tái tạo nguồn... chương trình học tập đề tài luận văn tốt nghiệp: Nghiên cứu ứng dụng bánh đà lưu trữ lượng khai thác lượng tái tạo Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Ngồi tài liệu tham khảo trích dẫn,