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 iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU 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] 1.2.1 Tiềm năng, thực trạng khai thác lượng mặt trời 1.2.1.1 Thuận lợi 1.2.1.2 Khó khăn 1.2.2 Tiềm năng, thực trạng khai thác lượng gió 1.3 Kết luận chương CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG LAI GIÓ VÀ PIN MẶT TRỜI 2.1 Cấu trúc hệ thống điện mặt trời [16] 2.1.1 Pin mặt trời (PV - Photovoltaic) 2.1.1.1 Khái niệm iv 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 công 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 THỐNG 48 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 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Các ký hiệu: STT Ký hiệu G T Ipv Igc I0 Tc Tref Isc µsc 10 I0α 11 Vg 12 V0c 13 UOC 14 Ton 15 T 16 fDC 17 C 18 L 19 D 20 ρtb 21 Rcg vi 22 vgm 23 Ctb 24 θp 25 vgm 26 ωtb 27 p 28 q 29 iα, iβ 30 uα, uβ 31 id, iq 32 ud, uq 33 ω 34 u 35 i 36 pαβ , qαβCông suất tác dụng, phản kháng tương ứng với hệ trục αβ 37 Pdq , qdq STT Ký hiệu Các chữ viết tắt 38 AC 39 DC 40 MPP 41 LCOE 42 CHLB 43 TNHH α: Là hệ số xác lập, Theo [1], α = ln9/trise; trise thời gian tăng trưởng (thời gian xác lập) G u 'i (p) = Nếu chọn R thích hợp thì: G u 'i (p) = K Theo [5]: ^ (2.34) u f = u 'f − (R af − jω1 L f )if Như hàm truyền mạch vòng trở thành: (2.35) G(p) = Nếu chọn: R a = α f G E g if (2.36) (p) = Cuối luật điều khiển cho mạch vịng điều khiển dịng điện phía lưới viết sau:  uf = k +  pf  Trong đó: ^ =α k pf 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 - Đã tổng hợp điều khiển dịng cho nghịch lưu nối lưới DC/AC gió cho hệ thống Lf; k f 47 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 toán 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 Mơ cơng 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 mơ đạt tiêu chất lượng đề tiến hành thử nghiệm mơ hình thực nghiệm hay chế tạo thử Do việc mô 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 48 Udc Tr n_ref 1450 mL [n] n T urbine Source Sine Wave K5 Sy nch Ti Signal Signal Builder Fehler Hình 3.1: Sơ đồ mơ tồn hệ thống Trong hệ thống mơ Matlab - Simulink có số khối cần quan tâm sau: Tr K5 Tm Ti Synch Source Fehler DFIM System Hình 3.2: Khối mơ tả máy phát điện sức gió 49 Hình 3.3: Khối DC/DC Pin mặt trời nghịch lưu DC/AC 3.2 Kết mô - Đáp ứng nguồn chiều thơng qua DC/DC Hình 3.4: Đáp ứng công suất pin theo xạ mặt trời 50 - Đáp ứng cơng suất pin mặt trời Hình 3.5: Đáp ứng công suất pin mặt trời theo xạ mặt trời Hình 3.6: Đáp ứng điện áp pha đầu nghịch lưu DC/AC 51 0.8 0.6 0.4 0.2 isf -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1 0.96 Hình 3.7: Đáp ứng dịng 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 n 900 850 800 750 700 650 6000 Hình 3.8: Đáp ứng tốc độ máy phát gió 52 Dap ung Momen voi n = 850v/ph; m = -2 nhay len -4 va Q = 300Var m* m -1 -2 -4 -5 -6 -7 t Hình 3.9: Đáp ứng mơ men máy phát gió Dap ung Q voi n = 1050v/ph; m = -4Nm va Q = len 300Var 500 Q Q * 400 300 200 Q m -3 100 -100 -200 0.5 t Hình 3.10: Đáp ứng cơng suất phản kháng hệ thống 53 3.3 Đánh giá chất lượng điều khiển hệ thống Từ kết mơ 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 mơ Matlab/Simulink cho hệ thống lai sức gió pin mặt trời - Đánh giá chất lượng điều khiển hệ thống thông qua kết mơ 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 thơng 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 54 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 55 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, 56 Vol.11, No.1, 105 [10] Gong, J.W., Chen, B.F., Li, P., Liu, F., Zha, X.M.: ‘Feedback decoupling and distortion correction based reactive compensation control for singlephase inverter’ Proc Power Electronics and Drive Systems (PEDS), 2009, pp 1454–1459 [11] Muljadi E, Butterfield C.P, “Pitch-controlled variable-speed wind turbine generation,” IEEE Trans Industry Appl., vol 37, pp 240–246, Jan.-Feb 2001 [12] Khan M.J, and Iqbal M.T, “Dynamic modeling and simulation of a small wind fuel cell hybrid energy system,” Renewable Energy, vol 30, pp 421-439, Mar 2005 [13] Quang, Ng.Ph,; Dittrich, A.;Lan, Ph.Ng.(2005) Doubly - Fed Induction Machine as Generator Wind Power Plant: Nonlinear Control Algorithms with Direct Decoupling Intern Conf CD Proc Of 11th European Conf On Power Electronics and Application, EPE, Dresen, Germany [14] Quang, Ng.Ph,; Dittrich, A.;Thieme, A.(1997) Doubly - Fed Induction Machine as Generato:r Control Algorithms with Decoupling of Torque and Power Factor Electrical Engineering/Archiv für Elektrotechnik, 325 - 335 [15] Tran Cong Binh, Mai Tuan Dat, Phan Quang An, Pham Dinh Truc and Nguyen Huu Phuc: ‘Active and reactive power controler for single-phase grid-connected photovoltaic systems’, www4.hcmut.edu.vn/ /HCMUT_VN [16] Samerchur,S., Premrudeepreechacharn, S., Kumsuwun, Y., Higuchi, K.: ‘Power control of single-phase voltage source inverter for gridconnectedphotovoltaic systems’ Proc Power Systems Conf and Exposition (PSCE), 2011, pp 1–6 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