Nghiên cứu ứng dụng hệ thống phát điện lai sức gió và mặt trời tại tỉnh lào cai

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN TRUNG THAO NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN LAI SỨC GIÓ VÀ MẶT TRỜI TẠI TỈNH LÀO CAI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỆN Thái Nguyên - năm 2020 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN TRUNG THAO NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN LAI SỨC GIÓ VÀ MẶT TRỜI TẠI TỈNH LÀO CAI CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN Mã số: 52 02 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Đặng Danh Hoằng Thái Nguyên - năm 2020 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Nguyễn Trung Thao Đề tài luận văn: Nghiên cứu ứng dụng hệ thống phát điện lai sức gió mặt trời tỉnh Lào Cai Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 8.52.02.01 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 03/10/2020 với nội dung sau: - Sửa sai sót lỗi tả - Sửa tên chương 1, sửa lại hình 2.17, 2.18 hình 3.8 Thái Nguyên, ngày 15 tháng 10 năm 2020 Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn TS Đặng Danh Hoằng Nguyễn Trung Thao CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG PGS.TS Võ Quang Lạp i LỜI CAM ĐOAN Tên là: Nguyễn Trung Thao Sinh ngày: 19 tháng 10 năm 1990 Học viên lớp cao học khoá 21 – Kỹ thuật điện - Trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp – Đại học Thái Nguyên Hiện công tác tại: Trường Cao đẳng Lào Cai Tôi cam đoan tồn nội dung luận văn tơi làm theo định hướng giáo viên hướng dẫn, không chép người khác Các phần trích lục tài liệu tham khảo luận văn Nếu có sai tơi hồn tồn chịu trách nhiệm Tác giả luận văn Nguyễn Trung Thao ii LỜI CẢM ƠN Lời tác giả xin chân thành cảm ơn tới thầy giáo, cô giáo Khoa sau đại học, Khoa Điện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp thầy giáo, cô giáo, anh chị Trung tâm thí nghiệm giúp đỡ đóng góp nhiều ý kiến quan trọng cho tác giả để tác giả hồn thành luận văn Trong q trình thực đề tài tơi nhận giúp đỡ nhiệt tình thầy, giáo khoa Điện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp thuộc Đại học Thái Nguyên bạn đồng nghiệp Đặc biệt hướng dẫn góp ý thầy TS Đặng Danh Hoằng giúp cho đề tài hồn thành mang tính khoa học cao Tôi xin chân thành cảm ơn giúp đỡ quý báu thầy, cô Do thời gian, kiến thức, kinh nghiệm tài liệu tham khảo hạn chế nên đề tài khó tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận đóng góp ý kiến thầy, cô giáo bạn đồng nghiệp để tiếp tục nghiên cứu, hoàn thiện trình cơng tác sau Học viên Nguyễn Trung Thao MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN II LỜI CẢM ƠN III MỤC LỤC IV DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT VI DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .IX DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ X MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu nghiên cứu Nội dung luận văn CHƯƠNG 1: ĐÁNH GIÁ TIỀM NĂNG KHAI THÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ MẶT TRỜI TẠI TỈNH LÀO CAI 1.1 Tổng quan nguồn lượng gió mặt trời 1.1.1 Tổng quan nguồn lượng mặt trời [17, 19] 1.1.2 Tổng quan nguồn lượng gió [11, 21] 1.2 Tiềm năng, thực trạng khai thác điện gió mặt trời tỉnh Lào Cai [17] 15 1.2.1 Tiềm năng, thực trạng khai thác lượng mặt trời 15 1.2.1.1 Thuận lợi 17 1.2.1.2 Khó khăn 18 1.2.2 Tiềm năng, thực trạng khai thác lượng gió 18 1.3 Kết luận chương 20 CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG LAI GIÓ VÀ PIN MẶT TRỜI 22 2.1 Cấu trúc hệ thống điện mặt trời [16] 22 2.1.1 Pin mặt trời (PV - Photovoltaic) 22 2.1.1.1 Khái niệm 22 2.1.1.2 Mơ hình tốn đặc tính làm việc pin mặt trời 23 2.1.1.3 Khối xác định trì điểm làm việc có cơng suất lớn 26 2.2 Cấu trúc điều khiển hệ thống lượng gió 34 2.2.1 Điều khiển turbine 36 2.2.2 Điều khiển Crowbar Stator switch 39 2.2.3 Điều khiển phía lưới phía máy phát 39 2.3 Cấu trúc điều khiển hệ thống lai gió mặt trời 40 2.4 Thiết kế điều khiển cho nghịch lưu DC/AC 41 2.4.1 Mở đầu 41 2.4.2 Chuyển đổi khung tham chiếu 41 2.5 Thiết kế điều khiển nghịch lưu nối lưới DC/AC 46 2.6 Kết luận chương 47 CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG48 3.1 Xây dựng mơ hình hệ thống điều khiển nguồn lai gió mặt trời phần mềm Matlab/Simulink [4] 48 3.2 Kết mô 50 3.3 Đánh giá chất lượng điều khiển hệ thống 54 3.4 Kết luận chương 54 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Các ký hiệu: STT Ký hiệu Diễn giải nội dung đầy đủ G Công suất xạ mặt trời T Nhiệt độ lớp tiếp giáp p-n Ipv Dòng điện quang (A) Igc Dòng quang điện (A) I0 Dòng bão hòa (A) Tc Nhiệt độ tuyệt đối tế bào (0K) Tref Nhiệt độ tham chiếu tế bào quang điện (0K) Isc Dịng điện ngắn mạch điều kiện chuẩn µsc Hệ số phụ thuộc nhiệt độ dòng ngắn mạch 10 I0α 11 Vg 12 V0c Điện áp hở mạch tế bào 13 UOC Điện áp hở mạch 14 Ton Thời gian khóa K mở 15 T Chu kỳ dịng điện 16 fDC Tần số đóng cắt 17 C Tụ điện 18 L Cuộn kháng 19 D Hệ số làm việc 20 tb Mật độ khơng khí 21 Rcg Bán kính cánh gió Dịng điện bão hịa xạ mặt trời nhiệt độ tham chiếu Năng lượng lỗ trống chất bán dẫn sử dụng làm tế bào 22 vgm 23 Ctb gió Tốc độ gió khoảng cách đủ xa phía trước cánh gió Hệ số phụ thuộc vào cấu trúc khí động học turbine Góc xoay cánh gió so với mặt cắt ngang qua 24 p 25 vgm Tốc độ gió 26 tb Tốc độ góc quay turbine 27 p Công suất tác dụng 28 q Cơng suất phản kháng 29 i , i  Dịng điện biểu diễn hệ trục  30 u, u Điện áp biểu diễn hệ trục  31 id , iq Dòng điện biểu diễn hệ trục dq 32 ud, uq Điện áp biểu diễn hệ trục dq 33  34 u Điện áp lưới 35 i Dịng điện trung tâm cánh gió Tần số góc nguồn điện 36 p , q  Công suất tác dụng, phản kháng tương ứng với hệ trục 37 dq Công suất tác dụng, phản kháng tương ứng với hệ trục Pdq , qdq Các chữ viết tắt STT Ký hiệu Diễn giải nội dung đầy đủ 38 AC Xoay chiều 39 DC Một chiều 40 MPP Max Power Point 41 LCOE Levelized Cost Of Electricity 42 CHLB Cộng hòa liên bang 43 TNHH Trách nhiệm hữu hạn vii 44 PV Photovoltaic 45 Si Silicon 46 P Photpho 49 MPPT Maximum Power Point Tracker 50 MĐKĐBNK Máy điện không đồng pha nguồn kép 51 NLPL Nghịch lưu phía lưới 52 NLMP Nghịch lưu máy phát 53 SOGI Second-order generalised integrator 54 PID Proportional Integral Derivative G Ei (p)  G(p) 1 G(p)F(p)  p (2.31) α: Là hệ số xác lập, Theo [1], α = ln9/trise; G u 'i (p)  trise thời gian tăng trưởng (thời gian xác lập) G p p 1 G(p)F(p) p   G 1 (p) (2.32) R Nếu chọn R thích hợp thì: (2.33) p Gu 'i (p)  K (p  ) Theo [5]: ^ u f  u 'f  (R af  j1 Lf )i f (2.34) Như hàm truyền mạch vòng trở thành: G(p)  i f ( p)  u 'f (p) Lf p  R f  R a ^ (2.35) ^ Nếu chọn: R a  f Lf  R f hàm truyền hệ thống là: G Egif (p)  p Lf (p  f )2 (2.36) Cuối luật điều khiển cho mạch vịng điều khiển dịng điện phía lưới viết sau:  k  u   if k f  pf (i p   ref i ) (R f f  j ^ Lf a )i (2.37) f Trong đó: ^ k pf   f Lf ; k if ^   f (R f  R a )   ^ f ^ ^ Lf ; R a   f Lf  R f 2.6 Kết luận chương Chương giải số vấn đề sau: - Đã Xây dựng cấu trúc điều khiển hệ thống lai pin mặt trời sức gió - Đã tổng hợp đượ c điều khiể n dòn g cho nghị ch lưu nối lưới DC/ AC cho hệ thống CHƯƠNG MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG 3.1 Xây dựng mơ hình hệ thống điều khiển nguồn lai gió mặt trời phần mềm Matlab/Simulink [4] Việc mô nhằm đánh giá thuật tốn thiết kế hệ điều khiển có vai trị quan trọng Nhờ có phương pháp mà người thiết kế mơ quan sát hoạt động hệ thống tính ổn định, bền vững Mô công cụ giúp có hình ảnh trực quan đối tượng nghiên cứu, từ có đánh giá tính đắn lý thuyết mơ hình xây dựng Đặc biệt vấn đề xây dựng, cần kiểm tra hoạt động trước đưa vào ứng dụng hay đối tượng nghiên cứu mà ta khơng có điều kiện kiểm nghiệm thực tế Như mô bước việc xây dựng luật điều khiển trình thiết kế, chế tạo Chỉ kết mô đạt tiêu chất lượng đề tiến hành thử nghiệm mơ hình thực nghiệm hay chế tạo thử Do việc mơ có tác dụng hạn chế tổn thất xảy thử nghiệm sai sót thiết kế Như ta xây dựng khối hệ thống mô từ nguồn điện, tải phi tuyến lọc tích cực dựa lý thuyết p-q thực phầm mềm Matlab/Simulink Udc omega_ n u_dc 145 n_ref u_net mL omega_ n Tabc indq_ist z [n] n indq_i Tr u_stat Turbi ne Si ne Wave U n Tm ISt at or K5 E n c I n Sy nch Ir o Ti I_kurzsc hluss ignal Si gnal Bui lder Fehler I_haup t theta_n st udc_ist DC Check theta_ n r enc udc_is i_net IF t Bo di eu en phi a l uoi irdq_is z t i_roto Cac ti n hi eu di eu ki en Rec isdq_i Inv st r usdq_i st I_phu k_5 I_chin Sy nchout theta_ h theta_ Mo hi nh MF st undq_i i_stato Us tat Source or undq_i st Bo di eu en MF K5 s Sy nch r ird* omega_ s irq* IF omega_ m Tabc udc_is t Chuan_hoa theta_n undq_is theta_r t omega_ n irdq_ist ird* isdq_is t usdq_i st irq*1 theta_s omega_ s omega_ m Hình 3.1: Sơ đồ mơ tồn hệ thống Trong hệ thống mơ Matlab - Simulink có số khối cần quan tâm sau: Tr Udc Inetz K5 Tm Unetz 2 Enc Ti Irotor Synch Source Fehler Ustator IStator kurzschluss I_haupt DFIM System Hình 3.2: Khối mơ tả máy phát điện sức gió U_DC I_N R U_N Tm Para Puls e_In v PLE CS I_R I_ U _S Sy nch I Hình 3.3: Khối DC/DC Pin mặt trời nghịch lưu DC/AC 3.2 Kết mô - Đáp ứng nguồn chiều thông qua DC/DC Hình 3.4: Đáp ứng cơng suất pin theo xạ mặt trời - Đáp ứng công suất pin mặt trời Hình 3.5: Đáp ứng cơng suất pin mặt trời theo xạ mặt trời Hình 3.6: Đáp ứng điện áp pha đầu nghịch lưu DC/AC i a i 0.8 0.6 0.4 isf 0.2 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1 0.96 0.97 0.98 0.99 1.04 t 1.01 1.02 1.03 Hình 3.7: Đáp ứng dòng điện pha đầu nghịch lưu DC/AC Mô thay đổi tốc độ máy phát gió Toc may phat thay doi tu 1050 xuong 850v/ph 1100 1050 1000 950 900 n 850 800 750 700 650 600 0.2 0.4 0.6 0.8 2t 1.2 1.4 1.6 Hình 3.8: Đáp ứng tốc độ máy phát gió 1.8 Dap ung Momen voi n = 850v/ph; m = -2 nhay len -4 va Q = 300Var m* m -1 -2 m -3 -4 -5 -6 -7 -8 0.6 0.8 1.2 t 1.4 1.6 1.8 Hình 3.9: Đáp ứng mơ men máy phát gió 500 Dap ung Q voi n = 1050v/ph; m = -4Nm va Q = len 300Var Q Q * 400 300 Q 200 100 -100 -200 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 t 1.1 1.2 1.3 1.4 Hình 3.10: Đáp ứng cơng suất phản kháng hệ thống 1.5 3.3 Đánh giá chất lượng điều khiển hệ thống Từ kết mô từ hình 3.4 đến hình 3.10 cho thấy chất lượng điều khiển hệ thống đạt yêu cầu định như: Đảm báo điện áp chiều điểm trung gian nối lượng gió mặt trời; điện áp, dòng điện đầu nghịch lưu hình sin thực nối lưới có yêu cầu 3.4 Kết luận chương Chương thực số nội dung sau: - Đã xây dựng cấu trúc sơ đồ mô Matlab/Simulink cho hệ thống lai sức gió pin mặt trời - Đánh giá chất lượng điều khiển hệ thống thông qua kết mô với hệ thống lai nguồn điện sức gió pin mặt trời thể hình 3.4 đến hình 3.10 - Chất lượng điều khiển hệ thống thể thông qua dạng điện áp, dịng điện đầu nghịch lưu DC/AC hình sin (có thể thực nối lưới) Bên cạnh cịn có kết mơ thể giá trị điện áp chiều đầu biến đổi DC/DC khả huy động công suất pin mặt trời máy phát sức gió - Với kết cho thấy tính khả thi cấu trúc điều khiển để ứng dụng vào thực tiễn khai thác nguồn lượng tái tạo sức gió mặt trời tỉnh Lào Cai KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Nhiệm vụ luận văn nghiên cứu xây dựng cấu trúc điều khiển lai gió mặt trời để ứng dụng khai thác tỉnh Lào Cai Với nội dung trình bày qua chương, luận văn đạt kết định, thể đặc điểm sau: - Đã tổng quan lượng gió mặt trời - Đã đánh giá tiềm năng, thực trạng khai thác điện gió mặt trời tỉnh Lào Cai - Xây dựng mơ hình mơ hệ thống điều khiển lai nguồn lượng gió mặt trời Matlab/Simulink - Qua kết mô cho thấy chất lượng hệ thống lai nguồn lượng gió mặt trời đảm bảo theo yêu cầu Kiến nghị Mặc dù luận văn có kết định, song cần phải giải triệt để số vấn đề tồn sau: - Chưa đánh giá mức độ phụ thuộc lẫn 02 nguồn lượng gió mặt trời cung cấp cho phụ tải - Chưa nghiên cứu ứng dụng triển khai vào thực tiễn TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Trần Bách (2000), Lưới Hệ thống điện, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [2] Lê Văn Doanh, Nguyễn Thế Công, Trần Văn Thịnh, Điện tử công suất, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [3] Nguyễn Doãn Phước (2002), Lý thuyết điều khiển tuyến tính, Nxb Khoa học Kỹ Thuật, Hà Nội [4] Nguyễn Phùng Quang(2005), Matlab & Simulink, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Tiếng Anh [5] Andreas Persson, “Analysis, Modeling and Control of Doubly-Fed Induction Generators for Wind Turbines”, Thesis for the degree of doctor of philosophy, Division of Electric Power Engineering Department of Energy and Environment, chalmers university of technology, Găoteborg, Sweden 2005 [6] Arnau D`oria-Cerezo (2006) Modeling, simulation and control of a doubly-fed induction machine controlled by a back-to-back converter PhD Thesis [7] Allmeling, J H.; Hammer, W P., Plecs - Piece - wise linear Electrical circuit simulation for simulink [8] Balaguer, I.J.; Qin Lei; Shuitao Yang; Supatti, U.; Fang Zheng Peng; Control for Grid-Connected and Intentional Islanding Operations of Distributed Power Generation Industrial Electronics, IEEE Transactions on , vol.58, no.1, pp.147-157, (2011) [9] Emmanuel DELALEAU, Jean-Paul LOUIS, Romeo ORTEGA Modeling and control of induction motors Int J Appl Math Comput Sci., 2001, V ol [1 G 0] o n g, J [1 M 1] ulj ad i E, [1 K 2] h a n [1 Q 3] u a n [ ] g, Q u a n [ T g, ] n C [ ] oSa m er ch ur, S., 57 Các trang Website tham khảo [17] www.khoahoc.com.vn/timkiem/năng+lượng+mới/index.aspx [18] www.cpc.vn/cpc/home/Ttuc_Detail.aspx?pm=ttuc&sj=KHKT&id [19] www.megasun.com.vn/ [20] www.solarpower.vn/ [21] nangluongvietnam.vn/ 58 ... gió mặt trời tỉnh Lào Cai nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển hệ thống để cung cấp cho số phụ tải tỉnh Lào Cai Vì em chọn đề tài: "Nghiên cứu ứng dụng hệ thống phát điện lai sức gió mặt trời. .. 2.17: Hệ thống lai phát điện sức gió pin mặt trời sử dụng crowbar 40 Hình 2.18: Hệ thống lai phát điện sức gió pin mặt trời sử dụng stator switch41 Hình 2.19: Chuyển đổi từ hệ tọa độ abc sang hệ. .. NGUYỄN TRUNG THAO NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN LAI SỨC GIÓ VÀ MẶT TRỜI TẠI TỈNH LÀO CAI CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN Mã số: 52 02 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG