(Luận văn thạc sĩ hcmute) mô phỏng chất lượng điện trên lưới điện nhỏ (mg) trong trường hợp nguồn năng lượng mặt trời kết hợp với năng lượng gió làm việc với lưới điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN HỒI VIỆT

MÔ PHỎNG CHẤT LƯỢNG ĐIỆN
TRÊN LƯỚI ĐIỆN NHỎ (MG) TRONG
TRƯỜNG HỢP NGUỒN NĂNG LƯỢNG
MẶT TRỜI KẾT HỢP VỚI NĂNG LƯỢNG GIÓ
LÀM VIỆC VỚI LƯỚI ĐIỆN

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60520202

S K C0 0 5 1 9 7

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2016

Luan van


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN HỒI VIỆT

MÔ PHỎNG CHẤT LƯỢNG ĐIỆN TRÊN LƯỚI ĐIỆN NHỎ
(MG) TRONG TRƯỜNG HỢP NGUỒN NĂNG LƯỢNG

MẶT TRỜI KẾT HỢP VỚI NĂNG LƯỢNG
GIÓ LÀM VIỆC VỚI LƯỚI ĐIỆN

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2016

Luan van


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN HỒI VIỆT

MÔ PHỎNG CHẤT LƯỢNG ĐIỆN TRÊN LƯỚI ĐIỆN NHỎ
(MG) TRONG TRƯỜNG HỢP NGUỒN NĂNG LƯỢNG
MẶT TRỜI KẾT HỢP VỚI NĂNG LƯỢNG
GIÓ LÀM VIỆC VỚI LƯỚI ĐIỆN

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202
Hướng dẫn khoa học:
PGS. TS Nguyễn Hữu Phúc

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2016

Luan van

LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:
Họ & tên: Nguyễn Hồi Việt

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 18/06/1991

Nơi sinh: Tiền Giang

Quê quán: Tiền Giang

Dân tộc: Kinh

Điện thoại: 012 7772 9909

E-mail:

Địa chỉ liên lạc: Ấp Phú Lợi B, Xã Phú Kiết, Huyện Chợ Gạo, Tiền Giang
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Trung học phổ thơng:
Hệ đào tạo:

Chính quy

Thời gian đào tạo:

Từ 2006 đến 2009

Nơi học (trường, thành phố):

Trường THPT Tân Hiệp, Tiền Giang

2. Đại học:
Hệ đào tạo:

Chính quy

Ngành học:

Điện Cơng Nghiệp

Thời gian đào tạo:

Từ 2009 đến 2013

Nơi học (trường, thành phố):

Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM

Tên đồ án tốt nghiệp:

Ứng dụng LED trong chiếu sáng

Người hướng dẫn:

PGS. TS Quyền Huy Ánh

Ngày bảo vệ đồ án tốt nghiệp:

07/2013

Nơi bảo vệ đồ án tốt nghiệp:

Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM

3. Sau đại học:
Hệ đào tạo:

Chính quy

Thời gian đào tạo:

Từ 08/2014 đến nay

Nơi học (trường, thành phố):

Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM

Ngành học:

Kỹ Thuật Điện

i

Luan van


LỜI CAM ĐOAN

Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố
trong bất kỳ cơng trình nào khác. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực
hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng theo yêu cầu.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 201…
Tác giả luận văn

Nguyễn Hoài Việt

ii

Luan van


LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy Nguyễn Hữu Phúc – Giảng
viên trường Đại học Bách Khoa TP HCM, thầy đã tận tình hướng dẫn, cung cấp tài
liệu và tạo điều kiện thuận lợi trong suốt q trình tơi thực hiện luận văn.
Kế đến tôi xin cảm ơn tất cả Thầy Cô khoa Điện – Điện Tử trường Đại học Sư
Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh đã giảng giải cho tơi những kiến thức quý
báu trong suốt khoảng thời gian tôi theo học tại trường và tạo điều kiện thuận lợi để
tơi hồn thành luận văn này.
Và cuối cùng tơi xin cảm ơn gia đình và tất cả bạn bè đã giúp đỡ, ủng hộ, đóng góp
ý kiến cho tơi trong thời gian học tập, nghiên cứu và thực hiện luận văn.
Một lần nữa xin kính chúc sức khỏe và chân thành cảm ơn!

iii

Luan van

TÓM TẮT
Luận văn này thảo luận về hệ thống MicroGrid như khái niệm, cấu hình, ưu nhược
điểm và các vấn đề về chất lượng điện năng. Bên cạnh đó, luận văn đã tiến hành xây
dựng mơ hình MicroGrid phục vụ mô phỏng chất lượng điện năng dựa trên năng
lượng mặt trời và năng lượng gió. Trong mơ phỏng thì điện áp AC do tuabin gió tạo
ra được chỉnh lưu thành điện áp DC, kết hợp với điện áp DC do pin mặt trời tạo ra
nghịch lưu lại thành điện áp AC. Mơ hình mơ phỏng được xây dựng trong mơi
trường Simulink của Matlab 2015a. Kết quả mô phỏng chủ yếu trình bày về ảnh
hưởng của điện áp MicroGrid khi hoạt động cùng với lưới điện.

iv

Luan van


ABSTRACT
The thesis discuss about MicroGrid system as definition, configuration, advantage,
disadvantage and some problem about power quality itself. Besides that thesis built
MicroGrid model to simulate electrical quality based on solar energy and wind. In
simulation, AC voltage of wind turbine is rectified to DC voltage which combine
DC voltage of PV array to invert to AC voltage. Simulation is built in Simulink
environment of matlab 2015a. Result present effect of MicroGrid’s voltage when it
operate grid connected mode.

v

Luan van

MỤC LỤC
TRANG TỰA

TRANG

Quyết định giao đề tài
Lý lịch cá nhân

i

Lời cam đoan

ii

Cảm tại

iii

Tóm tắt

iv

Mục lục

vi

Danh sách các hình

viii

Danh sách các bảng

x

Chương 1. TỔNG QUAN

1

1.1. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng trong và ngồi nước

3

1.2. Mục đích luận văn

7

1.3. Nhiệm vụ luận văn

7

1.4. Giới hạn luận văn

7

1.5. Phương pháp nghiên cứu

7

1.6. Kế hoạch thực hiện luận văn

7

Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

8

2.1. Định nghĩa MicroGrid

8

2.2. Các thành phần trong MicroGrid

8

2.3. Cấu trúc của MicroGrid

11

2.4. Chế độ vận hành trong MicroGrid

16

2.5. Ưu điểm về kỹ thuật và kinh tế của lưới MicroGrid

17

2.6. Những thách thức và nhược điểm của MicroGrid

18

2.7. Các vấn đề về chất lượng điện năng

19

2.8. Tổng kết

21

vi

Luan van


Chương 3. ĐỀ XUẤT MƠ HÌNH VÀ THƠNG SỐ MƠ PHỎNG

22

3.1. Pin quang điện

23

3.1.1. Quang điện

23

3.1.2. Mơ hình hóa pin quang điện

24

3.1.3. Mơ hình pin quang điện trong Matlab

26

3.2. Phong điện

27

3.2.1. Tua-bin gió

27

3.2.2. Máy phát điện

29

3.2.3. Mơ hình tốn máy điện đồng bộ

31

3.2.4. Mơ hình máy phát điện gió trong Matlab

34

3.3. Bộ nghịch lưu

37

3.4. Máy biến áp

37

3.5. Cấu hình hệ thống tích hợp

40

3.6. Tổng kết

43

Chương 4. KẾT QUẢ MƠ PHỎNG MƠ HÌNH ĐÃ ĐỀ XUẤT

44

4.1. Trường hợp: MicroGrid vận hành độc lập

44

4.2. Trường hợp: MicroGrid vận hành nối lưới

47

4.3. Phân bố công suất ở các trường hợp

49

4.4. Tổng kết

53

Chương 5. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

54

TÀI LIỆU THAM KHẢO

vii

Luan van


DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH

TRANG

Hình 1.1: Cường độ điện/GDP của Việt Nam và một số nước

2

Hình 1.2: Tiêu thụ năng lượng để sản xuất điện chia theo nguồn năng lượng

3

Hình 1.3: Tiêu thụ điện theo ngành

3

Hình 2.1: Sơ đồ của một MicroGrid đơn giản

8

Hình 2.2: Thiết bị đóng cắt dùng TriAC

11

Hình 2.3: Cấu trúc MicroGrid AC

12

Hình 2.4: Cấu trúc MicroGrid DC

13

Hình 2.5: Cấu trúc MicroGrid tổ hợp AC-DC

13

Hình 2.6: Cấu trúc MicroGrid AC với bộ lưu trữ DC

13

Hình 2.7: Cấu của MicroGrid DC khu vực

14

Hình 2.8: Cấu của MicroGrid chuyển đổi trạng thái

14

Hình 2.9: Bộ chuyển đổi trạng thái

14

Hình 3.1: Ý tưởng về xây dựng mơ hình mơ phỏng

22

Hình 3.2: Đặc tính làm việc của Pin năng lượng mặt trời

23

Hình 3.3: Mạch tương đương của pin quang điện

24

Hình 3.4: Mơ hình PV Array trong Matlab

26

Hình 3.5: Mơ hình tạo ra dịng của tấm pin mặt trời

27

Hình 3.6: Các thành phần của tuabin gió

28

Hình 3.7: Các thành phần, tham số và các hệ trục của máy điện đồng bộ

31

Hình 3.8: Mạch tương đương của máy điện đồng bộ

31

Hình 3.9: Mạch tương đương ngang trục

32

Hình 3.10: Mạch tương đương dọc trục

32

Hình 3.11: Mạch tương đương của cuộn cản ở trục d

32

Hình 3.12: Mạch tương đương của cuộn cản ở trục q

32

viii

Luan van


Hình 3.13: Mạch tương đương ở trục 0

32

Hình 3.14: Mơ hình phần điện tuabin gió

35

Hình 3.15: Mơ hình phần cơ tuabin gió

35

Hình 3.16: Mơ hình tồn bộ các thành phần của Tuabin gió

36

Hình 3.17: Sơ đồ đơn giản nghịch lưu 3 pha

37

Hình 3.18: Cấu hình bên trong của khối tích hợp phong điện và quang điện

41

Hình 3.19: Mơ hình bên trong của lưới điện chính

42

Hình 3.20: Hệ thống MicroGird khảo sát

42

Hình 4.1: Chế độ vận hành độc lập

44

Hình 4.2: Kết quả mơ phỏng của PV Array và Tuabin gió ở

45

Hình 4.3: Dạng sóng điện áp trước và sau khi qua bộ nghịch lưu

45

Hình 4.4: Dạng sóng và điện áp dịng điện sau máy biến áp của MicroGrid

45

Hình 4.5: Dạng sóng và điện áp dòng điện của phụ tải ở chế độ độc lập

46

Hình 4.6: Chế độ vận hành nối lưới

47

Hình 4.7: Kết quả mô phỏng của PV Array và Tuabin gió

47

Hình 4.8: Dạng sóng điện áp trước và sau khi qua bộ nghịch lưu

48

Hình 4.9: Dạng sóng và điện áp dịng điện sau máy biến áp của MicroGrid

48

Hình 4.10: Dạng sóng và điện áp dịng điện của nguồn lưới

48

Hình 4.11: Dạng sóng và điện áp dịng điện của phụ tải

49

Hình 4.12: Phân bố cơng suất ở chế độ độc lập

50

Hình 4.13: Phân bố công suất ở chế độ nối lưới

50

ix

Luan van


DANH SÁCH CÁC BẢNG
BẢNG

TRANG

Bảng 1.1: Trữ lượng những năng lượng khơng tái tạo

2

Bảng 1.2: Tóm tắt thực trạng dự án NLTT đã ứng dụng ở VN

4

Bảng 2.1: Chi phí lắp đặt và vận hành các loại máy phát phân tán khác nhau

9

Bảng 2.2: Đặc điểm của các thiết bị lưu trữ năng lượng

10

Bảng 2.3: Bảng so sánh đặc điểm chính của các cấu trúc MicroGrid

16

Bảng 2.4: Phân loại và đặc điểm của hiện tượng điện từ hệ thống điện

19

Bảng 3.1: Bảng tóm tắt các thơng số của PV

26

Bảng 3.2: Chức năng từng bộ phận trong Tuabin gió

28

Bảng 3.3: Bảng so sánh một vài đặc điểm của máy điện dùng trong phong điện 30
Bảng 3.4: Đặc điểm của các loại đấu nối dây máy biến áp

38

Bảng 3.5: Bảng thông số mô phỏng PV Array 1Soltech 1STH-215-P

40

Bảng 3.6: Bảng thông số cho máy phát điện gió

40

Bảng 3.7: Bảng thơng số lưới điện

41

Bảng 4.1: Kết quả tính tốn phân bố cơng suất ở chế độ vận hành độc lập

50

Bảng 4.2: Kết quả tính tốn phân bố cơng suất ở chế độ vận hành nối lưới

51

x

Luan van

Chương 1

TỔNG QUAN
Một trong những mối quan tâm hàng đầu của các quốc gia là vấn đề an ninh
trong cung cấp điện, an ninh năng lượng trong hệ thống điện. Ngày nay và trong
một vài thập kỷ tới, ngoại trừ các nước có tiềm lực về năng lượng thì nhiều nước sẽ
bắt đầu đối mặt với thiếu hụt cung cấp năng lượng[1]. Hình 1.1 thể hiện xu thế chung
của các nước là giảm cường độ điện khi chuyển từ giai đoạn thu nhập thấp sang thu
nhập trung bình và cao, khi mà các ngành kinh tế cũng chuyển từ mở rộng sản xuất
sang tăng năng suất, hiệu quả và tăng các ngành dịch vụ.
Theo thống kê dựa theo số liệu tiêu thụ năng lượng của của IEA, 2005[2] và số
liệu trữ lượng năng lượng không tái tạo của WEC, 2005[2] thì kịch bản mất an ninh
hệ thống điện có khả năng xảy ra. Hậu quả từ mất an ninh hệ thống điện thì rất lớn
gây thiệt hại về kinh tế hoặc con người. Bên cạnh đó thì trữ lượng các nguồn
nguyên liệu truyền thống như dầu, khí đốt, than… ngày càng cạn kiệt, cùng với đó
trong q trình khai thác và sản xuất điện những nguồn nguyên liệu này là một
trong những nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường và sự ấm lên toàn cầu.
Khi nhu cầu năng lượng cho các nước ngày một gia tăng, khả năng cung cấp các
nguồn năng lượng truyền thống ngày càng hạn chế trong khi tiềm năng nguồn năng
lượng tái tạo trên thế giới rất lớn kèm theo nhu cầu sử dụng điện và nhiệt cho sản
xuất rất cao thì việc xem xét khai thác nguồn năng lượng tái tạo sẵn có cho sản xuất
điện, đồng phát năng lượng (cả điện và nhiệt) là rất khả thi cả về công nghệ lẫn hiệu
quả kinh tế và mơi trường. Trong bối cảnh đó, tại Việt Nam, Quyết định số 1208
của Thủ tướng Chính phủ phê duyệt tổng sơ đồ phát triển điện giai đoạn 2011-2020,
tầm nhìn đến 2030 (Tổng sơ đồ phát triển điện 7) được xem là cơ sở pháp lý cho
phát triển Năng lượng tái tạo ở Việt nam. Kế hoạch và mục tiêu cho điện gió và sinh
khối trong quyết định này đã nêu rõ:
• Đến năm 2020, phát triển điện gió đạt 1.000 MW, sinh khối đạt 500 MW.

1

Luan van


• Đến năm 2030, phát triển và đưa vào sử dụng lượng cơng suất từ gió đạt
6.200 MW, sinh khối là 2.000 MW.
Vì vậy, yêu cầu cấp thiết hiện nay sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo thân
thiện môi trường thay vì phụ thuộc nhiều vào nguồn nguyên liệu truyền thống trong
quá trình sản xuất điện và giảm bớt sự phụ thuộc cung cấp điện từ lưới điện chính
nhưng phải đảm bảo an ninh cung cấp điện và an ninh hệ thống điện. Chính vì thế
nghiên cứu “Mơ phỏng chất lượng điện năng trên lưới điện nhỏ trong trường hợp
nguồn năng lượng mặt trời và năng lượng gió làm việc với lưới” là hết sức cần
thiết.
Bảng 1.1: Trữ lượng những năng lượng khơng tái tạo (WEC, 2005)[2]
Năng lượng

Dầu thơ

Khí tự nhiên

Than đá

Uranium

(MT)

(Gm3)

(MT)

(MT)

Trữ lượng

413

365

150

5 (*)

Khai thác

19

4

35

Số năm khai thác còn lại

22

91

4

(*) Giá thị trường của Uranium 130 USD/kg

Hình 1.1: Cường độ điện/GDP của Việt Nam và một số nước [1 ]

2

Luan van


Hình 1.2: Tiêu thụ năng lượng để

Hình 1.3: Tiêu thụ điện theo ngành

sản xuất điện chia theo nguồn năng
lượng (IEA, 2005) [2 ]

(Tính từ số liệu của IEA, 2005) [2]

1.1. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng trong và ngồi nước
1.1.1. Tình hình nghiên cứu nước ngồi
Theo nghiên cứu giao diện nguồn phân tán cho lưới MicroGird của tác giả
Prabath Janaka Binduhewa đã trình bày về giao diện của hệ MicroGid một pha[3].
Để thực hiện mô phỏng cho nghiên cứu tác giả đã sử dụng phần mềm
EMTDC/PSCAD và đạt được một số kết quả nhất định.
Một nghiên cứu khác của tác giả Lipsa Priyadarshanee về mơ hình hóa và điều
khiển MicroGrid tích hợp AC/DC[4], tác giả sử dụng các nguồn phân tán như gió,
năng lượng mặt trời và ắc-quy. Chúng được mô phỏng trong môi trường
Matlab/Simulink, tác giả đã chỉ ra rằng khi hệ MicroGird vận hành thì phân bố công
suất trong các nhánh, cũng như điện áp tại các Bus AC được duy trì ở trạng thái cân
bằng.

1.1.2. Tình hình ứng dụng năng lượng tái tạo tại Việt Nam
Thực trạng hoạt động của một số dự án sử dụng năng lượng tái tạo tại Việt
Nam được tóm tắt theo Bảng 1.2 dưới đây:

3

Luan van


Bảng 1.2: Tóm tắt thực trạng hoạt động của một số dự án NLTT đã ứng dụng ở Việt Nam[5]
Stt
Tên hệ thống
Quy mơ cơng suất
Tình trạng hoạt động
1

2

3

4

Bắt đầu vận hành từ ngày
01/09/2011 đến cuối năm 2012 bắt
đầu hỏng bộ Inverter, sau đó đến ắc
quy. Đến tháng 3/2013 thì ngừng
hoạt động.
Hệ thống Pin mặt trời xã Thượng PV 11,07kWp + Bắt đầu vận hành từ ngày
Trạch (Quảng Bình)
Diesel 11kVA

16/12/2010. Hiện tại, hệ thống vẫn
đang hoạt động nhưng mỗi tối chỉ sử
dụng được một giờ là ắc quy cạn
kiệt.
Hệ thống pin mặt trời + thuỷ điện nhỏ PV 100kWp + thủy - Từ năm 1999 - 2004, cơng trình
ở xã Trang huyện Đăk Đoa (Gia Lai)
điện 25kW
vận hành độc lập, không hịa lưới
quốc gia.
- Năm 2004, hồ lưới điện, đến năm
2009 hỏng bộ Inverter, đã có sửa
chữa nhưng khơng có kết quả. Hiện
tại hệ thống ngừng hoạt động.
Hệ thống Pin mặt trời + tua bin gió ở PV 6,75kWp + Gió Tháng 10/2000 bắt đầu vận hành.
làng Kongu 2 (Kon Tum).
1,8kW
Sau khoảng 3 năm hệ thống bắt đầu
hoạt động không hiệu quả sau đó
ngừng cấp điện.
Năm 2011, thiết bị trạm điện được
chuyển giao cho Trường ĐHBK Đà
Nẵng phục vụ công tác nghiên cứu,
giảng dạy.
Hệ thống Pin mặt trời + máy phát Trạm 1: PV 6,48kWp
Diesel ở xóm Mừng (Hồ Bình)
+ Diesel 8,5kVA
Trạm 2: PV 2,16kWp
+ Diesel 2,0kVA

4

Luan van

Cơ quan quản lý
vận hành
05 người dân địa
phương được đào
tạo để quản lý vận
hành.
Đồn biên phịng 593
Cà Rng.

05 cơng nhân Điện
lực Gia Lai.

Hệ thống vận hành
tự động khơng có
cán bộ chun trách
trơng nom.


5

6

7

8

Hệ thống tua bin gió + máy phát Gió 800kWp + Diesel Tháng 12/2004, hệ thống đưa vào

Diesel ở huyện đảo Bạch Long Vĩ 800kW
vận hành.
Tháng 6/2006, hệ thống điều khiển
(Hải Phịng)
của trạm bị hỏng, tua bin gió khơng
hoạt động.
Đến tháng 10/2009, cơn bão số 10
tràn qua đảo và quét đổ tua bin gió,
hiện tại chưa được khơi phục lại.
Hệ thống Pin mặt trời + máy phát PV 28,8 kWp + Tháng 01/2010, hệ thống đưa vào
Diesel ở Bãi Hương (Quảng Nam)
Diesel 5,5kW và vận hành, được 3 tháng thì ắc quy bị
15kW
trục trặc và được thay thế những
bình hỏng và hệ thống lại vận hành.
Sau một thời gian ngắn, hệ ắc quy bị
hỏng hồn tồn, vì vậy ban ngày hệ
thống cấp điện bằng PV khơng có ắc
quy tích trữ, buổi tối chạy máy phát
Diesel.
Tháng 8/2012, hệ thống ngừng hoạt
động hồn tồn.
Hệ thống Pin mặt trời + Tua bin gió + PV 4,9 kWp + gió Tháng 10/2012, hệ thống đưa vào
Hầm KSH tại đảo Mê Tĩnh Gia 1kW+ biogas 20 m3 vận hành, chỉ có PV và tua bin gió
(Thanh Hố)
và máy phát biogas hoạt động, cịn biogas khơng hoạt
động do không đủ nguyên liệu và
2kW
nước.
Hệ thống Pin mặt trời + Tua bin gió PV 1,16 kWp + gió Đầu năm 2012, hệ thống đưa vào

tại Bãi Làng (Quảng Nam)
1,5kW
vận hành, và hiện nay vẫn đang hoạt
động.

5

Luan van

Tổng đội Thanh niên
xung phong Hải
Phòng.

05 người (người địa
phương) đã được
đào tạo trong thời
gian 3 tháng.

Đơn vị bộ đội đảo
Hòn Mê.

Hệ thống vận hành
tự động khơng có
cán bộ chun trách
trơng nom.


9

Hệ thống tua bin gió + Diesel tại đảo Gió 6MW + Diesel

Phú Q (Bình Thuận)
3MW
Phụ tải có cơng suất
cực đại khoảng 2MW,
công suất cực tiểu
khoảng 0,76MW.

6

Luan van

Tháng 5/2012, điện gió đấu nối vào
lưới điện trên đảo. Hệ thống hỗn hợp
Diesel - Gió đã chính thức vận hành
thương mại từ ngày 24/08/2012. Kể
từ khi đi vào hoạt động cuối tháng
8/2012 đến đầu năm 2013, từng xảy
ra sự cố trên dưới 20 lần gây nguy cơ
rã lưới.

Điện lực Phú Quý +
Công ty TNHH một
thành viên NLTT
Điện lực Dầu khí
Việt Nam.


1.2. Mục đích luận văn
Nội dung nghiên cứu của hai tác giả trên chưa đề cập đến vấn đề khi kết hợp
cả hai nguồn năng lượng tái tạo cùng hoạt động với lưới điện thì lúc này chất lượng

điện năng có những thay đổi gì?
Do vậy, mục đích chính của luận văn này khảo sát chất lượng điện năng của
hệ thống MicroGrid với nguồn phân tán là năng lượng mặt trời và năng lượng gió
kết hợp làm việc với lưới điện trong các trường hợp giả định.
1.3. Nhiệm vụ luận văn
Để tiến hành khảo sát chất lượng điện năng của hệ thống thì một trong những
vấn đề quan trọng là xây dựng được mơ hình mơ phỏng cho hệ thống. Mơ hình
được xây dựng phải có tính khả thi và sát với thực tiễn.
1.4. Giới hạn luận văn
Căn cứ theo mục đích, nhiệm vụ và điều kiện nghiên cứu thì trong quá trình
khảo sát luận văn xin phép được giới hạn ở khảo sát về điện áp điện năng, bỏ qua
việc khảo sát tần số của điện năng.
1.5. Phương pháp nghiên cứu
Mơ hình được xây dựng dựa trên các phương trình tốn của các thành phần
trong hệ thống như pin quang điện, bộ nghịch lưu, máy phát điện gió…. Hoặc sử
dụng cơng cụ có sẵn trong Simulation/Simulink của Matlab 2015a để xây dựng mơ
hình mơ phỏng và khảo sát chất lượng điện năng của hệ thống trong các trường hợp
giả định.
1.6. Kế hoạch thực hiện luận văn
Để đạt được những mục đích nêu trên thì nghiên cứu gồm có các nội dung sau:
Chương 2: Cơ sở lý thuyết, trong chương này sẽ trình bày các lý thuyết chung về hệ
thống MicroGrid. Chương 3: Xây dựng mơ hình mơ phỏng, nội dung của chương
gồm các lý thuyết về các thành phần trong hệ MicroGrid từ đó xây dựng lên mơ
hình mơ phỏng. Chương 4: Kết quả mô phỏng, tiến hành mô phỏng từ mơ hình đã
xây dựng ở Chương 3, nhận xét kết quả thu được. Cuối cùng Chương 5: Kết luận và
hướng phát triển.

7

Luan van

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Định nghĩa MicroGrid
MicroGrid[6] là một lưới điện được cấu thành từ các thành phần như máy phát
phân tán, thiết bị lưu trữ năng lượng, tải khu vực và thiết bị đóng cắt thơng minh.
MicroGrid là một lưới điện độc lập có hoặc khơng liên kết với lưới điện quốc gia.
Bởi vì MicroGrid cũng là một lưới điện nên nó cũng có khả năng cung cấp
điện cho các tải trong khu vực một cách độc lập mà không cần lưới điện. Nhưng khi
MicroGrid kết nối với lưới điện chính thì điểm liên kết gọi là PCC (Point of
common coupling).

Hình 2.1: Sơ đồ của một MicroGrid đơn giản
2.2. Các thành phần trong MicroGrid
2.2.1. Máy phát phân tán (DG)[6]
Theo IEEE định nghĩa thì máy phát phân tán là sự phát điện do các phương
tiện hoặc thiết bị phát điện phát ra công suất nhỏ hơn công suất của các nhà máy
điện và cho phép kết nối ở bất kỳ điểm nào trong hệ thống điện. Tùy vào từng
loại máy phát phân tán thì cơng suất của máy phát phân tán nhỏ hơn công suất
của nhà máy điện khoảng một vài MW.

8

Luan van


Yêu cầu đặt ra cho máy phát phân tán là mức độ nhiễu và lượng khí thải thải
ra mơi trường gây ơ nhiễm ở mức thấp. Bên cạnh đó, máy phát phân tán được yêu

cầu phải hoạt động với hiệu suất cao với chi phí thấp.
Máy phát phân tán bao gồm các tua-bin nhỏ (25 - 100kW) như máy phát điện
bằng sức gió, năng lượng mặt trời, pin nhiên liệu … Trong một MicroGrid có thể
tích hợp nhiều loại máy phát phân tán nhưng phải đảm bảo các đặc tính kinh tế và
kỹ thuật sao cho tối ưu.
Bảng 2.1 là bảng thể hiện đặc tính kinh tế của từng loại máy phát ứng với
những dãy công suất nhất định.
Bảng 2.1: Chi phí lắp đặt và vận hành các loại máy phát phân tán khác nhau
Loại máy phát

Cơng
Chi phí
Chi phí vận hành và bảo trì
suất
sản xuất
(kW)
($/kW)
Máy phát Diesel
5 - 500
700
26.5 $/kW/năm + 0.000033 $/kWh
Các máy phát khí 50 - 500
950
26.5 $/kW/năm + 0.000033 $/kWh
Các máy phát gió
10
6055
5.7 $/kW/năm
Photovoltaic nhỏ
5

8650
14.3 $/kW/năm
Photovoltaic lớn
50 - 500
6675
3.93 $/kW/năm
Pin nhiên liệu
1 - 2000
5000
0.035 $/kWh
[6]
2.2.2. Các thiết bị lưu trữ năng lượng

Tuổi
thọ
(Năm)
12.5
12.5
12.5
20
20
5 - 10

Trong hệ thống MicroGrid có thể được xây dựng dựa trên các nguồn nhiên
liệu tái tạo, mà các nguồn nhiên liệu này thì phụ thuộc vào các u tố mơi trường
(Ví dụ như năng lượng gió, năng lượng mặt trời…). Do vậy, các thiết bị lưu trữ
năng lượng được sử dụng nhằm cải thiện độ ổn định và cải thiện hiệu suất của hệ
thống và cung cấp truyền tải liên tục giữa các chế độ vận hành nối lưới hay vận
hành độc lập.
Một số thiết bị lưu trữ năng lượng như: Flywheel, siêu tụ điện, ắc-quy, SMES

(Superconducting Magnetic Energy Storage).
Trong hệ thống MicroGrid thì kích thước và khối lượng của thiết bị lưu trữ
năng lượng khơng phải là vấn đề chính, mà vấn đề cần quan tâm ở đây là thời gian
lưu trữ năng lượng và công suất thiết bị lưu trữ.
Bảng 2.2 là bảng tóm tắt các đặc điểm chính của các thiết bị lưu trữ phổ biến.

9

Luan van


Bảng 2.2: Đặc điểm của các thiết bị lưu trữ năng lượng
Stt

Loại thiết
bị lưu trữ

1

Ắc-quy Liion
Ắc-quy axit
chì

2

3
4
5

Đặc điểm

Mật độ cơng suất khoảng 150 – 200 Wh/kg.
Giá khoảng 500 – 1500 $/kWh.
Mật độ công suất khoảng 30 – 40 Wh/kg.
Chu kỳ nạp – xả năng lượng đạt hiệu suất 80%
Tổn thất năng lượng trong khoảng 0.1%/h.
Siêu tụ điện Thích hợp cho việc nạp – xả công suất lớn trong thời gian
ngắn.
Flywheel
Được dùng khi xảy ra dư thừa năng lượng quá nhiều.
Xả năng lượng trong khoảng 15 phút cho đến một vài giờ.
SMES
Cung cấp nhanh công suất tác dụng và công suất phản kháng.
Thời gian lưu trữ năng lượng không lâu.
Việc chọn thiết bị lưu trữ năng lượng thì phụ thuộc vào yêu cầu về dung lượng

lưu trữ, hiệu suất và thời gian lưu trữ. Như đã đề cập ở trên, ắc-quy có dung lượng
và thời gian lưu trữ lớn, nhưng chúng có hiệu suất thấp và dung lượng bị giới hạn
để cung cấp cơng suất đỉnh. SMES thì có hiệu suất cao (Khoảng 95%) nhưng lại có
dung lượng và thời gian lưu trữ thấp. Siêu tụ điện và Flywheel được xem là giải
pháp hiệu quả hơn trong việc lưu trữ năng lượng cho hệ thống MicroGrid vì chúng
phối hợp các đặc tính của ắc-quy và SMES.
2.2.3. Tải khu vực[6]
Hệ thống MicroGrid có thể được kết nối hoặc ngắt kết nối tùy thuộc vào công
suất cực đại của các máy phát và thiết bị lưu trữ. Trong hệ này, phụ tải cũng được
chia là 2 loại gồm:
• Phụ tải loại 1 là phụ tải yêu cầu đảm bảo chất lượng điện năng và độ tin cậy
cung cấp điện. Điển hình như các khu cơng nghiệp, thương mại…
• Phụ tải loại 2 là phụ tải khơng có u cầu khắc khe như phụ tải loại 1, cho
phép ngắt điện để sữa chữa hoặc bảo trì.

Chi phí vận hành thương mại một hệ thống MicroGrid phải được tối ưu hóa
bằng việc quản lý tải phù hợp.

10

Luan van


2.2.4. Thiết bị đóng cắt kết nối lưới[6]
Thiết bị này dùng để kiểm sốt các kết nối thơng nhau của máy phát phân tán,
tải khu vực và lưới, được đặt ở điểm liên kết chung của hệ thống MicroGrid và có
chức năng quản lý các chế độ vận hành của hệ thống như chế độ vận hành nối lưới
hoặc chế độ vận hành độc lập hoặc chế độ đang vận hành.
Các thiết bị đóng cắt này thường là vật liệu bán dẫn cơng suất cụ thể là Triac,
vì Triac có khả năng chịu được quá dòng cao trong nhiều chu kỳ. Nhưng trong một
số trường hợp khác thì khóa tĩnh có thể khơng là Triac tùy theo mục đích sử dụng.

Hình 2.2: Thiết bị đóng cắt dùng Triac
2.3. Cấu trúc của MicroGrid
Theo [6], cấu trúc của hệ thống MicroGrid được chia làm 06 nhóm chính tùy
thuộc vào nơi mà Bus AC hoặc DC được liên kết, bao gồm:
• Cấu trúc MicroGrid AC;
• Cấu trúc MicroGrid DC;
• Tổ hợp cấu trúc MicroGrid AC–DC;
• Cấu trúc MicroGrid AC với bộ lưu trữ DC;
• DC-zonal MicroGrid;
• MicroGrid dựa trên máy biến áp bán dẫn.
2.3.1. Cấu trúc MicroGrid AC (Hình 2.3)
Với dạng này thì các Bus đều là Bus AC và các thiết bị nối vào Bus đó cũng là
thiết bị AC. Do đó, các máy phát phân tán kết nối với Bus cũng được yêu cầu là

phát ra nguồn DC/AC.
2.3.2. Cấu trúc MicroGrid DC (Hình 2.4)
Dạng này kết nối với lưới thơng qua bộ chỉnh lưu AC/DC. Các máy phát phân
tán được nối với Bus ở dạng DC/DC hoặc là AC/DC. Các tải khi nối vào Bus này

11

Luan van


cũng phải ở dạng DC, nếu tải ở đang ở dạng AC muốn nối với Bus thì buộc phải
qua bộ chỉnh lưu rồi mới nối với Bus.
2.3.3. Cấu trúc MicroGrid tổ hợp AC–DC (Hình 2.5)
Cấu trúc này bao gồm một MicroGrid AC và một lưới phụ DC, chúng đã liên
kết với nhau bằng bộ chỉnh lưu AC/DC.
2.3.4. Cấu trúc MicroGrid AC với bộ lưu trữ DC (Hình 2.6)
Mục đích dùng hệ này nhằm tăng độ linh hoạt cho MicroGrid AC, bộ lưu trữ
DC có thể được đặt ở các Bus DC, trong khi đó các máy phát phân tán và các tải
AC có thể đặt ở Bus AC.
2.3.5. Cấu trúc MicroGrid DC khu vực (Hình 2.7)
Trong MicroGrid DC khu vực thì một vài tuyến dây DC được kết nối với Bus
AC chính thơng qua bộ chỉnh lưu AC/DC.
2.3.6. Cấu trúc MicroGrid chuyển đổi trạng thái (Hình 2.8)
Cấu trúc này gồm một ngõ vào và nhiều ngõ ra. Trong đó bộ chuyển đổi trạng
thái gồm có 3 thành phần gồm bộ chuyển đổi AC/DC, DC/DC và DC/AC. Hình 2.9
thể hiện các thành phần bên trong của bộ chuyển đổi trạng thái.

Hình 2.3: Cấu trúc MicroGrid AC

12

Luan van