Mô hình hóa và điều khiển một hệ thống tích hợp năng lượng gió và năng lượng mặt trời

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ
LƯƠNG SƠN KHỞI

MÔ HÌNH HÓA VÀ ĐIỀU KHIỂN MỘT HỆ THỐNG TÍCH HỢP
NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202

S K C0 0 4 6 3 5

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015


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

LUẬN VĂN THẠC SĨ
LƢƠNG SƠN KHỞI

MÔ HÌNH HÓA VÀ ĐIỀU KHIỂN MỘT HỆ THỐNG TÍCH
HỢP NĂNG LƢỢNG GIÓ VÀ NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI

NGÀNH:KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202
Hướng dẫn khoa học:
PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015

i


LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:
Họ & tên: Lương Sơn Khởi

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh:15/12/1986

Nơi sinh: Ninh Thuận

Quê quán:Ninh Thuận

Dân tộc: Kinh

Địa chỉ liên lạc: 40 Trần Cao Vân, Phường Đô Vinh, Tp. Phan Rang Tháp
Chàm, Ninh Thuận
Điện thoại liên lạc: 0937.27.55.17
E-mail:
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Đại học:
Hệ đào tạo:

Chính qui

Thời gian đào tạo: từ 2006 đến 2011

Nơi học (trường, thành phố):

Trường ĐHSư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM

Ngành học:

Điện Công Nghiệp

Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: “Thiết kế và thi công thiết bị nâng
cao chất lượng điện năng”
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp:Trường Đại Học Sư
Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
Người hướng dẫn: TS. Trương Việt Anh
III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT
NGHIỆP ĐẠI HỌC:
Thời gian

Nơi công tác

Công việc đảm nhiệm

Từ tháng 04 /2011

Cty cổ phần Dệt Texhong Việt

Trưởng ca xưởng sản

Nam

xuất

đến 12/2011
Từ tháng 12 /2011
đến 04/2014
Từ tháng 05/2014
đến nay

Cty cổ phần công nghệ Tiên
Phong
Cty truyền tải điện 4

Kỹ sư dự án
Nhân viên vận hành

Tp.Hồ Chí Minh, ngày tháng
Xác nhận của cơ quan

ii

năm 2015


LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công 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 công trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2015

Lương Sơn Khởi

iii


LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên,tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy PGS.TS Nguyễn Hữu
Phúc, người đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện
quyển luận văn này.
Xin cảm ơn các Thầy Cô đã cho em nền tảng kiến thức – tri thức quí báu.
Xin cám ơn quý Thầy Cô trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM,
Khoa Cơ –Điện – Điện Tử, Phòng Quản Lý Khoa Học - Đào Tạo Sau đại học, tập
thể lớp 2012b và 2013b đã tạo cơ hội cho em thực hiện Luận văn này.
Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn cha mẹ và người thân đã luôn ở bên tôi
và động viên tôi rất nhiều để tôi hoàn thành khóa học này.

Lương Sơn Khởi

iv


TÓM TẮT
Ngày nay, việc phát triển trong lĩnh vực năng lượng tái tạo và phát điện phân
tán đã đạt được nhiều thành tựu đáng kể trong vài năm kể lại đây mà cụ thể của đề
tài em là năng lượng gió và năng lượng mặt trời, đây là các lĩnh vực năng lượng
sạch, vô tận và thân thiện với môi trường. Trong tình hình nhu cầu năng lượng ngày
càng cao thì việc đa dạng hóa các nguồn năng lượng từ các nguồn năng lượng mới
và vô tận là một giải pháp hiệu quả và luôn được khuyến khích phát triển. Các
nguồn năng lượng này sẽ giảm bớt một phần gánh nặng từ áp lực cung cấp điện
năng của lưới điện, chủ yếu dựa vào nguồn năng lượng hóa thạch như nhiệt điện,
điện hạt nhân, thủy điện…. Tuy nhiên, việc phát triển năng lượng tái tạo cũng có

một số hạn chế đó là công suất nhỏ và phân tán. Để sử dụng có hiệu quả cần phải
kết nối các nguồn năng lượng này thông qua lưới điện phân phối hiện có bằng các
bộ nghịch lưu có khả năng kết nối với lưới điện xoay chiều của hệ thống điện hiện
tại.
Trong quá triǹ h hoa ̣t đô ̣ng của các bô ̣ pin năng lươ ̣ng m ặt trời kết nối lưới điện
phân phố i, ngoài việc phải hoạt động tại điểm có công suất lớn nhất theo sự thay đổi
của cường đô ̣ bức xa ̣ mă ̣t trời , tức phụ thuộc vào thời tiết thì yêu cầu về tối thiểu
hóa tổng độ méo dạng sóng hài (THD) là một yêu cầu cần phải đạt được để đảm bảo
chấ t lươ ̣ng điê ̣n năng trên lưới điê ̣n . Để đa ̣t đươ ̣c yêu cầ u này , giải thuật tối ưu hóa
bầ y đàn (PSO) đã đươ ̣c giới thiê ̣u và ứng du ̣ng trong viê ̣c xác đinh
̣ các hê ̣ số đ

iề u

khiể n trong bô ̣ điề u khiể n dòng điê ̣n.
Trong lĩnh vực năng lượng gió, đối với các máy phát điện gió công suất nhỏ
chỉ được thiết kế để hoạt động độc lập. Vì vậy, việc thiết kế bộ chuyển đổi năng
lượng gió hòa đồng bộ lưới điện phân phối là một yêu cầu cấp thiết hiện nay.
Luận văn tập trung xử lí vấn đề duy trì vận hành bình thường cho các phụ tải
khi lưới điện chuyển từ trạng thái nối lưới sang trạng thái vận hành độc lập do mất
nguồn điện lưới. Xây dựng phương pháp ổn định điện áp cho phụ tải trong một thời
gian sau khi xuất hiện sự cố mất nguồn điện lưới.

v


ABSTRACT
Nowaday, wind and solar energy have been developing successfully, both
field are green and renewable resource. More and more higher energy demand in
our life need diversity of resource with enjoying of green and renewable is the

effective aproach, which are always encouraged. Those resource will redue demand
of energy from hydroelectric plant and thermoelectricity plant on power system.
However, solar energy have low rate power and dispersion. To increase efficiency
of solar energy need to connect them with power network via invertor, which can
link to power system.
The whole of operation of solar cell units link to power network, beside the
requirement the solar cell units must operate at the maximum power point, the
current was injected to power grid must have minimum total hamonic disturbance
(THD). Solving this requirement, Particle Swarm Optimization (PSO) theory was
introduced and implement in this thesis to determine controll factors of PI current
regulator.
In the case of wind energy field, that wind generators were operated
independently, designing of new wind generator which can connect to national
power network is very necessary.
This thesis focuses on solving the problems of maintaining normal operation
of

the

power

load

when

microgrid

changing

from

grid-connected

to

autonomousoperation due to the lost of power grid. Build a methodto maintain load
voltage stability during the appearance of grid power failures.

vi


MỤC LỤC
Trang tựa

TRANG

Quyết định giao đề tài
Lý lịch cá nhân ................................................................................................. i
Lời cam đoan ................................................................................................... ii
Lời cảm ơn ...................................................................................................... iii
Tóm tắt............................................................................................................ iv
Mục lục .............................................................................................................v
Danh sách chữ viết tắt ......................................................................................x
Danh sách các hình ......................................................................................... xi
Danh sách các bảng ...................................................................................... xiv
CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU
1.1 Đặt vấn đề ...................................................................................................... 1
1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ ................................................................................... 3
1.3 Phạm vi nghiên cứu ...................................................................................... 4
1.4 Phƣơng pháp nghiên cứu ............................................................................. 4

1.5 Điểm mới của luận văn ................................................................................. 5
1.6 Giá trị thực tiễn của luận văn ...................................................................... 5
1.7 Nội dung của luận văn .................................................................................. 6
CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN
2.1 Microgrid và phát điện phân tán ................................................................. 7
2.2 Tổng quan về hệ thống chuyển đổi năng lƣợng gió .................................... 9
2.2.1 Các thành phần của hệ thống chuyển đổi năng lượng gió........................ 9
2.2.2 Các loại hệ thống chuyển đổi năng lượng gió ........................................ 10
2.2.2.1 Hệ thống turbine gió tốc độ cố định .................................................... 11
2.2.2.2 Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi, biến đổi toàn bộ công suất ....... 12
2.2.2.3Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi, biến đổi một phần công suất .... 13

vii


2.2.2.4Tổng quan về các kiểu turbine gió ....................................................... 14
2.3 Tổng quan về pin năng lƣợng mă ̣t trời .................................................... 15
2.3.1 Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng của tương lai ..................... 15
2.3.2 Cấu trúc kết nội các tấm pin mặt trời ................................................... 16
2.3.3 Các mô hình kết nối lưới trong hệ thống điện mặt trời một pha .......... 19
2.4 Tổng quan về kết nối turbine gió và mă ̣t trời trong
lƣới điện Microgrid ..................................................................................... 21
CHƢƠNG 3: KHẢO SÁT VÀ TÍNH TOÁN
3.1 Năng lƣợng gió và công suất turbine ....................................................... 23
3.1.1 Năng lượng gió ..................................................................................... 23
3.1.2 Hiệu suất turbine gió ............................................................................ 26
3.1.3 Đường cong hiệu suất turbine gió ........................................................ 29
3.1.4 Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG).......................... 32
3.2 Pin năng lƣợng mặt trời và phƣơng trình toán của pin năng lƣợng
mặt trời ........................................................................................................ 35

3.2.1 Phương trình tương đương của pin năng lượng mặt trời ...................... 35
3.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến pin năng lượng mặt trời ............................. 36
3.2.3 Phương trình tương đương của bộ pin năng lượng mặt trời ................. 37
3.3 Mạch chỉnh lƣu .......................................................................................... 39
3.4 Mạch nghịch lƣu kết nối lƣới điện phân phối ......................................... 42
3.4.1 Phân loại bộ nghịch lưu ........................................................................ 42
3.4.2 Phương pháp điều khiển các khóa công suất trong bộ nghịch lưu
nguồ n áp ........................................................................................................ 42
3.4.3 Phương pháp điề u khiể n khóa công suấ t trong bô ̣ nghich
̣ lưu
nguồ n dòng .................................................................................................... 47

viii


CHƢƠNG 4: MÔ HÌ NH HÓA & MÔ PHỎNG
4.1 Sơ đồ kết nối máy phát điện gió và bộ pin năng lƣợng mặt trời vào
lƣới điện phân phối. ................................................................................... 51
4.1.1 Khố i turbine gió và máy phát điện. .................................................... 52
4.1.2 Khối chỉnh lưu. ................................................................................... 55
4.1.3 Khối bộ pin năng lượng mặt trời ........................................................ 56
4.1.4 Khối nghịch lưu .................................................................................. 57
4.1.5 Khối lưới điện phân phối .................................................................... 58
4.1.6 Khối điều khiển pin NLMT ................................................................ 58
4.1.6.1 Nguyên lý hoạt động của khối MPPT ............................................. 60
4.1.7 Khối điều khiển máy phát điện gió .................................................... 65
4.1.7.1 Nguyên lý hoạt động khối MPPT của turbine gió .......................... 66
4.1.8 Khối điều khiển lưu trử năng lương (battery) .................................... 69
4.1.9 Khối phụ tải ........................................................................................ 70
4.2 Các khối chức năng.................................................................................. 70

4.2.1 Khối PI_V ........................................................................................... 70
4.2.2 Khối PLL ............................................................................................ 71
4.2.3 Khối DC/AC ....................................................................................... 71
4.2.4 Khối điều khiển Hysteresis (điều khiển bang-bang) .......................... 72
CHƢƠNG 5: KẾT QUẢ, KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN
5.1 Trƣờng hợp nghiên cứu và các kết quả ................................................ 73
5.1.1 Trường hợp nghiên cứu ...................................................................... 73
5.1.2 Kết quả mô phỏng nguồn DG nối lưới trong trường hợp nghiên
cứu đã xét đến .............................................................................................. 75
5.1.2.1 Kết quả mô phỏng nguồn DG – năng lượng mặt trời nối lưới ........ 76
5.2 Nhận xét và đánh giá ............................................................................... 82
5.3 Các vấn đề đƣợc thực hiện trong luận văn............................................ 83
5.4 Đề nghị và các hƣớng phát triển của luận văn ...................................... 84
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................... 85

ix


DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
MBA:

Máy biến áp

IG:

Induction generator (Máy phát điện không đồng bộ)

SG:
HAWT:

Synchronous generator (Máy phát điện đồng bô)
Horizontal Axis Wind Turbine (Turbine gió trục ngang)

VAWT:

Vertical Axis Wind Turbine (Turbine gió trục đứng)

PMSG:

Permanent Magnet Synchronous Generator (Máy phát điện đồng bộ
nam châm vĩnh cửu)

IGBT:

Insulated Gate Bipolar Transistor

SPWM:

Sinusoidal Pulse Width Modulation (Điều chế độ rộng xung)

MPPT:

Maximum Power Point Tracking (Tìm điểm công suất cực đại)

P&O:

Perturb and observate (Phương pháp nhảy và so sánh)

PLL:

Phase locked loops (Phương pháp sát định góc pha)

PV:

Photovoltaic (Pin mặt trời)

PI:

Proportional Integral (Điều khiển PI)

x


DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH

TRANG

Chƣơng 2:
Hình 2.1: Công nghệ điều khiển kết nối lưới điện tại Singapore và Hoa kỳ ...7
Hình 2.2: Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió cơ bản ...................................8
Hình 2.3: Hệ thống turbine gió tốc độ cố định .................................................9
Hình 2.4: Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi ..............................................11
Hình 2.5: Hệ thống turbine gió thay đổi tốc độ với bộ biến đổi phía roto .....13
Hình 2.6: Cấu tạo turbine gió trục đứng và trục ngang ..................................13
Hình 2.7: Dự đoán các nguồn năng lượng sử dụng trong thế kỷ 21 ..............15
Hình 2.8: Cấu trúc dạng mô đun ....................................................................16
Hình 2.9: Cấu trúc dạng chuỗi........................................................................17
Hình 2.10: Cấu trúc dạng nhiều chuỗi ............................................................17
Hình 2.11: Cấu trúc dạng trung tâm ...............................................................18

Hình 2.12: Mô hình kết nối lưới sử dụng bộ biến đổi DC/AC và máy biến áp
cách ly .....................................................................................................................19
Hình 2.13: Mô hình kết nối lưới sử dụng bộ biến đổi DC/DC ,DC/AC ........19
Hình 2.14: Mô hình kết nối lưới sử dụng bộ biến đổi DC/AC .......................20
Hình 2.15: Mô hình kết nối lưới sử dụng bộ biến đổi DC/AC.......................20

Chƣơng 3:
Hình 3.1: Năng lượng của khối không khí có mặt cắt ngang A .....................23
Hình 3.2: Biểu diễn luồng khí thổi qua một turbine gió lý tưởng ..................25
Hình 3.3: Góc pitch của cánh quạt gió ...........................................................26
Hình 3.4: Giới hạn của hiệu suất rotor ...........................................................28
Hình 3.5: Đường cong hiệu suất rotor ............................................................29
Hình 3.6: Công suất đầu ra phụ thuộc vào vận tốc gió , tốc độ turbine .........30
Hình 3.7: Đường cong công suất lý tưởng của turbine gió ............................31

xi


Hình 3.8 Mô hình mạch điện tương đương trong hệ tọa độ dq của PMSG ...34
Hình 3.9: Mạch điện tương đương của pin mặt trời .......................................35
Hình 3.10: Mô hình pin mặt trời lý tưởng ......................................................37
Hình 3.11: Mô đun pin mặt trời......................................................................38
Hình 3.12: Đặc tính I-V với các bức xạ khác nhau ........................................39
Hình 3.13: Đặc tính P-V với các bức xạ khác nhau .......................................39
Hình 3.14: Mạch chỉnh lưu bán kì ..................................................................40
Hình 3.15: Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha không điều khiển ...............................41
Hình 3.16: Mạch chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển ...............................41
Hình 3.17: Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha có điều khiển ......................................41
Hình 3.18: Mạch chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển ......................................41
Hình 3.19: Giản đồ xung kích bộ nghich lưu 1 pha SPWM .........................45

Hình 3.20: Giản đồ dòng và áp ngõ ra nghich lưu SPWM ............................46
Hình 3.21: Sơ đồ kết nối đơn giản của bộ nghịch lưu 3 pha ..........................47
Hình 3.22: Dạng sóng dòng điện trong phương pháp điều khiển bang bang trên
1 pha .......................................................................................................................48
Hình 2.23: Giải thuật điều khiển bang bang trên một nhánh .......................48
Hình 3.24: Giải thuật điều khiển bang bang cải tiến ......................................49

Chƣơng 4:
Hình 4.1 Sơ đồ kết nối ................................................................................. 51
Hình 4. 2 Sơ đồ tổ ng quát mạch mô phỏng ................................................. 52
Hình 4.3: Sơ đồ kết nối máy phát điện gió với lưới điện thông qua
bộ AC-DC/DC-AC ...................................................................................... 52
Hình 4. 4Sơ đồ kết nối của khối turbinevà máy phát điện .......................... 52
Hình 4. 5 Sơ đồ kết nối trong mô phỏng khốiturbine gió ........................... 53
Hình 4. 6 Sơ đồ kết nối mô phỏng của khối máy phát điện nam
châm vĩnh cửu ............................................................................................. 54
Hình 4. 7 Mô hình mô phỏng của khối cơ khí trong PMSG ....................... 54
Hình 4. 8 Mô hình mô phỏng của khối điện trong PMSG .......................... 54

xii


Hình 4. 9 Thông số kỹ thuật của PMSG...................................................... 55
Hình 4. 10 Sơ đồ kết nối mạch chỉnh lưu .................................................... 56
Hình 4. 11 Sơ đồ kế t nố i của khố i năng lươ ̣ng mă ̣t trời .............................. 56
Hình 4. 12 Sơ đồ kết nối của khối nghịch lưu ............................................. 57
Hình 4. 13 Sơ đồ kết nối của khối lưới điện phân phối............................... 57
Hình 4. 14 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của mạch điện mô phỏng............... 58
Hình 4. 15 Sơ đồ kết nối của khối điều khiển pin năng lượng mặt trời ...... 59
Hình 4. 16 Lưu đồ giải thuật P&O .............................................................. 60

Hình 4. 17 Đặc tuyến V-P của pin mặt trời khi NLBXMT không đổi........ 61
Hình 4. 18 Nguyên tắc hoạt động của bộ MPPT ......................................... 62
Hình 4. 19 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của mạch điện mô phỏng............... 63
Hình 4. 20 Sơ đồ kết nối của khối điều khiển trong mạch mô phỏng ......... 65
Hình 4. 21 Nguyên tắc hoạt động của máy phát điện gió ........................... 65
Hình 4. 22 Nguyên tắc hoạt động của giải thuật P&O ................................ 66
Hình 4. 23 Lưu đồ giải thuật P&O .............................................................. 68
Hình 4.24 Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển battery ....................................... 68
Hình 4.25 Mạch mô phỏng sơ đồ kết nối khối battery trong simulink ....... 68
Hình 4.26 : Mô hình phụ tải ........................................................................ 70
Hình 4. 27 Sơ đồ kế t nố i của khố i PI_V...................................................... 71
Hình 4.28 Sơ đồ nguyên lí của khối PLL .................................................... 71

Chƣơng 5
Hình 5.1: Lưu đồ quá trình mô phỏng được đề xuất ................................... 74
Hình 5.2: Các tín hiệu từ bộ điều khiển trung tâm truyền đến các CB ....... 75
Hình 5.3 Công suất tác dụng và phản kháng ngõ ra của máy phát
điện gió ........................................................................................................ 76
Hình 5.4: Điện áp DC trước nghịch lưu của máy phát điện gió .................. 77
Hình 5.5: Công suất bộ pin năng lượng mặt trời hòa lưới .......................... 78
Hình 5.6: Giá trị điện áp và dòng điện DC ngõ ra bộ pin NLMT ............... 79
Hình 5.7: Giá trị công suất nạp xả của battery ............................................ 80

xiii


Hình 5.8 Dạng sóng điện áp ngõ ra tại điểm kết nối chung ở
giá trị: a) biên độ đỉnh; b) rms ..................................................................... 81
Hình 5.9: Dạng sóng điện áp ngõ ra từ t = 1.4s đến t = 2s .......................... 81

DANH SÁCH CÁC BẢNG
BẢNG

TRANG

Bảng 5-1 Bảng kết quả mô phỏng năng lượng gió hòa lưới hòa lưới ......... 77
Bảng 5.2: Bảng kết quả mô phỏng hệ thống năng lượng mặt
trời hòa lưới ................................................................................................. 78

xiv


Mô hình hóa và điều khiển một hệ thống tích hợp năng lượng gió & năng lượng mặt trời
GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU
1.1 Đặt vấn đề
Ngày nay, ngành công nghiệp điện đang có những bước tiến đột phá và phát
triển đồng bộ từ các khâu: sản xuất, truyền tải và phân phối, cũng như đưa ra các
phương thức vận hành và sử dụng điện sao cho hiệu quả, tiết kiệm. Đặc biệt với
hiệu ứng nóng lên của trái đất, sự cạn kiệt của các nguồn năng lượng hóa thạch, sự
bùng nổ tăng trưởng của các nước đang phát triển. Bên cạnh đó dân số ngày càng
tăng, ước tính đến năm 2050 khoảng 9.5 tỷ người, nhiệt độ trung bình của trái đất
có thể tăng lên 600C. Điều này dẫn đến yêu cầu bức thiết phải có những phương
thức mới trong việc cung cấp và sử dụng nguồn năng lượng sao cho giảm thiểu sự
phát thải khí CO2.
Để có thể đạt được các mục tiêu trên, chúng ta phải xây dựng một hệ thống điện
và phương thức vận hành, cũng như trong kinh doanh có khả năng cho phép chỉ ra
những nhà máy điện phải nâng cao hiệu suất, các loại nguồn năng lượng mới được
khuyến khích phát triển như năng lượng mặt trời, gió, khí sinh học.v.v..ở những địa

điểm thích hợp. Hệ thống mà chúng ta đang đề cập và phân tích đến là xây dựng mô
hình và công nghệ điều khiển nối lưới cho lưới điện siêu nhỏ với các nguồn phát
điện phân tán (DG), đây cũng là một phần trong mục tiêu phát triển hệ thống điều
khiển lưới điện thông minh (Smart Grid). Hiện nay, ở một số quốc gia phát triển
như: Đức, Hoa Kỳ, Singapore..v.v đã triển khai và vận hành lưới điện siêu nhỏ với
các nguồn phát điện phân tán.
Mặt khác, để giải quyết các vấn đề này, một mặt chúng ta phải khai thác và sử
dụng các nguồn năng lượng hóa thạch này một cách hợp lý, mặt khác chúng ta phải
tìm ra các nguồn năng lượng khác để thay thế. Thế giới đang tìm kiếm các nguồn
năng lượng tái sinh có thể cung cấp năng lượng một cách bền vững trong tương lai,
nguồn năng lượng ấy có thể kể đến như: năng lượng gió, năng lượng sinh khối,

HVTH: Lương Sơn Khởi

Trang 1


Mô hình hóa và điều khiển một hệ thống tích hợp năng lượng gió & năng lượng mặt trời
GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

năng lượng mặt trời… hoặc là nguồn năng lượng tái sinh khác. Trong đó công nghệ
về năng lượng mă ̣t trời đang đư ợc thế giới chú trọng phát triển để khai thác. Các
chính phủ đã đón nhận các công nghệ này một cách hết sức nghiêm túc và đưa ra
các mục tiêu đầy tham vọng cho sản lượng điện tạo ra từ các nguồn năng lượng tái
sinh trên. Người dân ngày càng ý thức về sự tàn phá và ô nhiễm môi trường từ các
nguồn nhiên liệu hoá thạch và năng lượng hạt nhân. Trong khi các nguồn năng
lượng tái sinh có thể khai thác tự do và không bao giờ cạn kiệt. Năng lượng mă ̣t trời
và năng lượng gió là một nguồn năng lượng sạch có thể thay thế các nguồn năng
lượng truyền thống. Các ứng dụng của nó tại các nước phát triển giúp làm giảm
hiệu ứng nhà kính và giữ gìn được các nguồn năng truyền thống đang cạn kiệt. Các

quốc gia đã và đang phát triển đều xem năng lượng mă ̣t trời và năng lượng gió là
nguồn năng lượng lý tưởng phù hợp với xu hướng phát triển mới của nhân loại,
được ưu tiên đầu tư hàng đầu trong các chính sách về năng lượng. Khi sử dụng năng
lượng tái tạo có những thuận lợi như sau :
- Giảm hay thay thế việc xây dựng các nhà máy điện truyền thống dùng năng
lượng hóa thạch.
- Làm giảm công suất truyền tải và tăng phát điện tại nơi tiêu thụ.
- Không gây ô nhiễm môi trường khi vận hành sản xuất điện năng.
- Là nguồn năng lượng không bao giờ cạn kiệt.
- Dễ dàng tăng thêm công suất khi cần thiết.
- Việc lắp đặt và xây dựng các tấ m pin năng lươ ̣ng mă ̣t trời , các turbin gió là
tương đối nhanh.
- Mặc dù năng lượng mă ̣t trời và gió hiện nay có giá đắt hơn nhiều so với nguồn
năng lượng truyền thống, nhưng nó không bị ảnh hưởng bởi giá nguyên liệu
và sự gián đoạn cung cấp.
- Ở các nước phát triển nhà nước hỗ trợ về thuế và các ưu đãi khác.
- Tạo ra nhiều công ăn việc làm hơn so với các nhà máy năng lượng khác, khi
cùng sản xuất ra một đơn vị năng lượng. Số người làm việc cho các trung tâm

HVTH: Lương Sơn Khởi

Trang 2


Mô hình hóa và điều khiển một hệ thống tích hợp năng lượng gió & năng lượng mặt trời
GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

năng lượng gió trên khắp thế giới khoảng 100000 công nhân. Một Megawatt
điện gió cần từ 2.5 – 3.0 nhân công làm việc.
- Công nghệ năng lượng mă ̣t trời và gió có thể thay đổi cho nhiều ứng dụng có

công suất từ nhỏ đến lớn. Thời gian từ khi khảo sát đến lắp đặt và vận hành
ngắn và có những thuận lợi khác mà các nhà máy điện kiểu truyền thống
không làm được.
Hiê ̣n nay , năng lươ ̣ng mă ̣t t rời ở Viê ̣t Nam với lơ ̣i thế là mô ̣t n ước nhiệt đới có
nắ ng quanh năm nên rấ t có tiề m năng phát triể n năng lươ ̣ng mă ̣t trời . Bên cạnh đó,
năng lượng gió ở Việt Nam với lợi thế bờ biển trải dài 3260 km và gần 3000 hòn
đảo lớn nhỏ rất có tiềm năng. Tuy nhiên, viê ̣c khai thác năng lươ ̣ng mă ̣t trời và gió ở
nước ta còn nhiề u ha ̣n chế , mô ̣t phầ n là do nhà nước chưa có chin
́ h sách hỗ trơ ̣ thić h
hơ ̣p và cũng do giá thành các thiế t bi ̣chuyể n đổ i năng lươ ̣ng

tái tạo (mặt trời, gió)

thành điện còn khá cao . Do vâ ̣y hiê ̣n nay ở nước ta chỉ có thể phát triể n các máy
điê ̣n năng lươ ̣ng mă ̣t trời , gió có công suấ t vừa và nhỏ để cung cấ p cho các vùng
lưới điê ̣n không thể vươn đế n hoă ̣c chấ t lươ ̣ng điê ̣n không đảm bảo khi đi qua mô ̣t
khoảng cách địa lí không hoàn thiện như các vùng nông thôn

, biên giới , hải đảo ,

cũng như là những vùng có tốc độ gió trung bình thay đổi nhiều.
Ngoài ra, khi kinh tế bắ t đầ u phát triể n , viê ̣c phát triể n năng lươ ̣ ng sa ̣ch và bề n
vững ngày càng đươ ̣c chú tro ̣ng phát triể n . Theo xu hướng thiế t kế môi trường xanh,
các tòa nhà đã được thiết kế theo hướng sử dụng ít hơn năng lượng từ lưới điện
phân phố i và dùng các tấ m pin mă ̣t trời để

tạo ra nguồn điê ̣n “xanh ” để cung cấ p

mô ̣t phầ n nhu cầ u cho công trình . Điề u này thúc đẩ y viê ̣c nghiên cứu chế ta ̣o các bô ̣
chuyể n đổ i năng lươ ̣ng mă ̣t trời công suấ t vừa và nhỏ có khả năng kế t nố i lưới điê ̣n

để thu được công suấ t lớn nhấ t từ năng lươ ̣ng mă ̣t trời.
1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ
- Tìm hiểu về máy phát điện gió công suất nhỏ.
- Tìm hiểu về các bộ pin năng lượng mặt trời.
- Tìm hiểu về pin lưu trữ năng lượng nối lưới.

HVTH: Lương Sơn Khởi

Trang 3


Mô hình hóa và điều khiển một hệ thống tích hợp năng lượng gió & năng lượng mặt trời
GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

- Xây dựng phương trình và giải thuật để tính toán bộ chuyển đổi năng lượng.
- Xây dựng khối pin lưu trữ năng lượng (battery) nối lưới và bộ điều khiển để
ổn định điện áp hai đầu cực nút tải khi cắt microgrid ra khỏi lưới điện.
- Dùng phần mềm Matlab 7.12 mô phỏng khi hòa năng lượng gió, mặt trời và
pin lưu trữ vào lưới điện phân phối.
1.3 Phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu khái quát về năng lượng mă ̣t trời và năng lượng gió.
- Nghiên cứu về các bộ pin năng lượng mặt trời công suất nhỏ.
- Nghiên cứu về máy phát điện gió công suất nhỏ.
- Nghiên cứu về mối quan hệ của các thông số trong bô ̣ pin năng lươ ̣ng mă ̣t trời
công suất nhỏ.
- Nghiên cứu về mối quan hệ của các thông số trong máy phát điện gió công
suất nhỏ.
- Nghiên cứu về mối quan hệ truyền động trong máy phát điện gió công suất
nhỏ.
- Nghiên cứu bộ nghịch lưu công suất nhỏ một pha khi hòa vào lưới điện.

- Nghiên cứu phương pháp tính toán bộ chuyển đổi nguồn DC-AC.
- Nghiên cứu tính toán các thông số khi hòa nguồn năng lượng tái tạo vào lưới
điện phân phối một pha.
- Nghiên cứu mô hình pin nối lưới để đảm bảo ổn định điện áp nút kết nối.
- Đưa ra mô hình mô phỏng khi hòa nguồn năng lượng tái tạo vào lưới điện.
1.4 Phƣơng pháp nghiên cứu
- Thu thập tài liệu liên quan đến các vấn đề nghiên cứu.
- Nghiên cứu tổng quan về năng lượng mă ̣t trời và năng lượng gió.
- Nghiên cứu các thông số ảnh hưởng đến hoa ̣t đô ̣ng của pin mă ̣t trời , máy phát
điện gió.
- Nghiên cứu và xây dựng mô hình toán học về mối quan hệ giữa các thông số
làm ảnh hưởng đến hiệu suất của bô ̣ pin năng lươ ̣ng mă ̣t trời công suất nhỏ.

HVTH: Lương Sơn Khởi

Trang 4


Mô hình hóa và điều khiển một hệ thống tích hợp năng lượng gió & năng lượng mặt trời
GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

- Nghiên cứu và xây dựng mô hình toán học về mối quan hệ giữa các thông số
làm ảnh hưởng đến hiệu suất của máy phát điện gió công suất nhỏ.
- Nghiên cứu các mô hình hòa đồng bộ giữa nguồn năng lượng mă ̣t trời , nguồn
năng lượng gió và lưới điện. Ảnh hưởng của các thông số khi hòa. Đề nghị mô
hình tính toán cụ thể.
- Sử dụng matlab xây dựng mô hình mô phỏng việc hòa đồ ng bô ̣ bô ̣ năng lươ ̣ng
tái tạo vào lưới điện phân phối, từ đó thiết kế và thi công mô hình thực tế.
- Phân tích các kết quả nhận được và các kiến nghị.
- Đánh giá tổng quát toàn bộ bản luận văn. Đề nghị hướng phát triển của đề tài.

1.5 Điểm mới của luận văn
- Xây dựng hoàn chỉnh mô hình kết nối bô ̣ năng lươ ̣ng mă ̣t trời

và máy phát

điện gió có công suất nhỏ trong lưới Microgrid hòa đồng bộ lưới điện quốc
gia.
- Tìm ra các thông số ảnh hưởng đến việc hòa đồng bộ giữa các nguồn năng
lượng tái tạo và lưới điện quốc gia.
- Đưa ra giải thuật và chương trình mới để tính toán bộ chuyển đổi nguồn năng
lượng tái tạo hòa vào lưới điện quốc gia.
- Góp phần tiết kiệm năng lượng của các hộ tiêu thụ điện cũng như cung cấp
thêm cho nguồn quốc gia một phần năng lượng.
1.6 Giá trị thực tiễn của luận văn
- Đóng góp một giải pháp quan trọng trong việc dần thay thế các nguồn năng
lượng hóa thạch bằng các nguồn năng lượng vô tận trong xu thế phát triển của
thế giới ngày nay.
- Đây là giải pháp rất khả thi để nâng cao chất lượng điện năng cho các vùng
sâu, vùng xa và xa trung tâm phụ tải. Tại các khu vực này do điều kiện địa lí
tự nhiên nên thường là các vùng cuối lưới điện nên điện áp không đảm bảo.
Việc dùng các bô ̣ năng lươ ̣ng mă ̣t trời

HVTH: Lương Sơn Khởi

kết hợp hay riêng rẻ cùng với năng

Trang 5


Mô hình hóa và điều khiển một hệ thống tích hợp năng lượng gió & năng lượng mặt trời

GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

lượng gió là một giải pháp hữu hiệu để nâng cao ổn định điện áp cho các vùng
này.
- Nâng cao được hiệu suất cho bô ̣ năng lươ ̣ng mă ̣t trời công suất nhỏ.
- Làm tài liệu tham khảo và làm nền tảng để phát triển hướng cho các nghiên
cứu sau này.
- Ứng dụng rộng rãi việc sử dụng cùng lúc hai nguồn năng lượng tái tạo và lưới
điện quốc gia cho các hộ tiêu thụ điện.
- Giúp các nhà hoạch định chiến lược về nguồn năng lượng quốc gia có thêm
một hướng mới về việc phát triển nguồn năng lượng trong tương lai.
- Sử dụng làm tài liệu giảng dạy.
- Giúp cho các nhà thiết kế các tài liệu quan trọng trong tính toán thiết kế bộ
chuyển đổi nguồn năng lượng táo tạo (mă ̣t trời và gió) hòa vào lưới điện.
1.7 Nội dung của luận văn
Chương 1: Giới thiệu.
Chương 2: Tổng quan
Chương 3: Khảo sát và tính toán
Chương 4: Mô hình hóa và mô phỏng
Chương 5: Kết luận và Hướng phát triển

HVTH: Lương Sơn Khởi

Trang 6


S

K

L

0

0

2

1

5

4