Nghiên cứu phương pháp điều khiển thiết bị tích trữ năng lượng trong hệ thống chiếu sáng công cộng sử dụng năng lượng mặt trời kết hợp với điện lưới (LV thạc sĩ)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN



ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

HOÀNG VĂN LONG

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN
THIẾT BỊ TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG TRONG
HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG CÔNG CỘNG SỬ DỤNG
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KẾT HỢP VỚI ĐIỆN LƯỚI

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

THÁI NGUYÊN - 2016


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN



ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

HOÀNG VĂN LONG

Tên đề tài:

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN

THIẾT BỊ TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG TRONG
HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG CÔNG CỘNG SỬ DỤNG
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KẾT HỢP VỚI ĐIỆN LƯỚI
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số: 60.52.02.02

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. NGUYỄN NHƯ HIỂN


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN



THÁI NGUYÊN - 2016
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ
THUẬT CÔNG NGHIỆP
THÁI NGUYÊN

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA
VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
Họ và tên học viên:
Ngày tháng năm sinh:
Quê quán:
Nơi công tác:

Cơ sở đào tạo:
Chuyên ngành:
Khóa học:

Hoàng Văn Long
Ngày 23 tháng 9 năm 1976
Tà Lùng - Phục Hòa Cao Bằng
Trung tâm Khuyến công và Tư vấn phát triển công
nghiệp Cao Bằng
Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên
Kỹ thuật điện
2013-2015

Tên đề tài:
NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ TÍCH TRỮ
NĂNG LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG CÔNG CỘNG
SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KẾT HỢP VỚI ĐIỆN LƯỚI
Người hướng dẫn khoa học:

PGS.TS. NGUYỄN NHƯ HIỂN

KHOA CHUYÊN MÔN

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Đỗ Trung Hải

Nguyễn Như Hiển
PHÒNG ĐÀO TẠO

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN



Đặng Danh Hoằng


Luận văn tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện

LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là Hoàng Văn Long
Sinh ngày 23 tháng 9 năm 1976
Học viên lớp cao học K16 - Kỹ thuật điện - Trường đại học kỹ thuật công
nghiệp Thái Nguyên.
Hiện tôi công tác tại Trung tâm khuyến công và tư vấn phát triển công
nghiệp Sở Công Thương Cao Bằng, tỉnh Cao Bằng.
Tôi xin cam đoan những nội dung được trình bày trong luận văn là những
nghiên cứu của riêng cá nhân tôi. Nội dung trong luận văn đúng như nội dung của
đề cương được duyệt và yêu cầu của Thầy giáo hướng dẫn. Trong quá trình nghiên
cứu và thực hiện tôi có tham khảo một số tài liệu, bài báo của các tác giả trong và
ngoài nước. Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm./.
HỌC VIÊN

Hoàng Văn Long

Hoàng Văn Long K16-KTĐ-ĐHKTCN Thái Nguyên

Page

i


Luận văn tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện

LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình tìm hiểu và thực hiện luận văn "Nghiên cứu phương
pháp điều khiển thiết bị tích trữ năng lượng trong hệ thống chiếu sáng công cộng
sử dụng năng lượng mặt trời kết hợp với điện lưới", cùng với sự cố gắng nỗ lực
của bản thân và rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ từ thầy giáo, cô giáo, gia đình,
các bạn học viên và đặc biệt là sự quan tâm, hướng dẫn tận tình của thầy giáo
PGS.TS. Nguyễn Như Hiển luận văn của tôi cơ bản đã hoàn thành. Tôi xin được
bày tỏ lòng chân thành và biết ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo trường Đại học Kỹ
thuật công nghiệp Thái Nguyên. Trong suốt thời gian qua các thầy cô đã tận tình
truyền đạt cho tôi những kiến thức vô cùng quý báu và động viên tôi trong học
tập cũng như trong cuộc sống. Đặc biệt, tôi xin chân thành cám ơn PGS.TS.
Nguyễn Như Hiển, thầy đã tận tình chỉ bảo, tạo mọi điều kiện cho tôi hoàn thành
luận văn và sửa chữa những sai sót trong suốt quá trình tôi thực hiện đề tài. Cuối
cùng, tôi muốn bày tỏ lòng biết ơn chân thành, lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình,
bạn bè... những người luôn bên cạnh, động viên, giúp đỡ tôi trong học tập và
trong cuộc sống. Luận văn có được một số kết quả nhất định, tuy nhiên không
thể tránh khỏi sai sót và hạn chế, kính mong được sự cảm thông và đóng góp ý
kiến của thầy cô và các bạn./.
Thái Nguyên, ngày 16 tháng 3 năm 2016
HỌC VIÊN

Hoàng Văn Long

Hoàng Văn Long K16-KTĐ-ĐHKTCN Thái Nguyên

Page

ii


Luận văn tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................... ii
MỤC LỤC ................................................................................................ iii
TỪ NGỮ VIẾT TẮT ................................................................................ v
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................ vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ................................................................ vii
MỞ ĐẦU ................................................................................................... 1
Chương 1. NGHIÊN CỨU KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG
MỚI VÀ NGUỒN ĐIỆN ĐỘC LẬP........................................................ 8

1.1. Các nguồn và công nghệ năng lượng mới.......................................... 8
1.2. Vai trò của nguồn năng lượng mới .................................................... 9
1.3. Nguồn năng lượng mới ở Việt Nam ................................................ 11
1.4. Khái niệm về hệ thống điện độc lập ................................................. 12
1.4.1. Giới thiệu chung ............................................................................ 12
1.4.2. Vấn đề đảm bảo chất lượng điện năng .......................................... 13
1.5. Thiết bị tích trữ năng lượng ............................................................. 15
1.5.1. Bộ tích trữ năng lượng một chiều dùng ắc quy............................. 15
1.5.2. Thiết bị tích trữ năng lượng siêu tụ ............................................... 17
1.5.3. Các yêu cầu chính đối với thiết bị tích trữ năng lượng ................. 20
1.6. Vấn đề điều khiển thiết bị kho điện ................................................. 24
1.7. Các nhiệm vụ cần giải quyết của luận văn ....................................... 26

1.8. Kết luận chương 1 ............................................................................ 26
Chương 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH THIẾT BỊ KHO ĐIỆN SỬ DỤNG
SIÊU TỤ .......................................................................................... 27

2.1. Giới thiệu các bộ biến đổi DC - DC................................................. 27
2.2. Các bộ biến đổi DC - DC giảm tăng áp không cách ly .................... 28
2.2.1. Bộ biến đổi giảm áp (buck) ........................................................... 28
2.2.2. Bộ biến đổi tăng áp (boost) ........................................................... 31
2.3. Mô hình thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ........................................ 34
2.3.1. Cấu trúc thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ..................................... 35
Hoàng Văn Long K16-KTĐ-ĐHKTCN Thái Nguyên

Page iii


Luận văn tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện

2.3.2. Thiết kế kho điện ........................................................................... 35
2.3.3. Mô hình bộ biến đổi DC-DC dùng trong thiết bị kho điện ........... 39
2.4. Kết luận chương 2 ............................................................................ 42
Chương 3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC 43
3.1. Giới thiệu chung ............................................................................... 43
3.1.1. Bộ điều khiển PID ......................................................................... 43
3.1.2. Phương pháp tối ưu độ lớn ............................................................ 45
3.2. Cấu trúc điều khiển hệ thống ........................................................... 47
3.3. Hàm truyền đạt DC - DC ................................................................. 48
3.3.1. Xây dựng hàm truyền đạt theo chiều boost .................................. 48
3.3.2. Xây dựng hàm truyền đạt theo chiều buck ................................... 49
3.4. Tổng hợp bộ điều khiển ................................................................... 50
3.4.1. Tổng hợp bộ điều khiển của bộ biến đổi buck .............................. 50

3.4.2. Tổng hợp bộ điều khiển của bộ biến đổi boost ............................. 51
3.4.3. Tổng hợp bộ điều khiển của bộ biến đổi buck - boost .................. 51
3.5. Kết luận chương 3 ............................................................................ 51
Chương 4. ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CHO BỘ BIẾN ĐỔI DC - DC,
DC - AC ........................................................................................... 52

4.1. Giới thiệu chung ............................................................................... 52
4.2. Bộ biến đổi DC - DC ........................................................................ 52
4.2.1. Bộ DC - DC giảm áp: Được giới thiệu như trên hình 4.2 ............. 52
4.2.2. Mạch DC - DC tăng áp: Được giới thiệu như trên hình 4.7 ......... 54
4.3. Mạch DC - AC ................................................................................. 57
4.3.1. Sơ đồ lắp rạp của bộ biến đổi DC - AC: Được minh họa trên hình
4.13. ................................................................................................. 57
4.3.2. Kết quả thực nghiệm ..................................................................... 58
4.4. Kết luận ............................................................................................ 59
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................. 60
1. Kết luận ............................................................................................... 60
2. Kiến nghị ............................................................................................. 60
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................... 61
Hoàng Văn Long K16-KTĐ-ĐHKTCN Thái Nguyên

Page iv


Luận văn tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện

TỪ NGỮ VIẾT TẮT
NLMT

Năng lượng Mặt trời

PV

Pin năng lượng Mặt trời

SCADA

Hệ thống điều khiển giám sát

TOE

Tấn dầu tương đương

Hoàng Văn Long K16-KTĐ-ĐHKTCN Thái Nguyên

Page

v


Luận văn tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Phân loại kho năng lượng theo thời gian ........................................ 21
Bảng 1.2. Phân loại kho năng lượng theo hình thức tích lũy .......................... 21

Hoàng Văn Long K16-KTĐ-ĐHKTCN Thái Nguyên

Page vi

Luận văn tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1:
Hình 1.2:
Hình 1.3:
Hình 1.4:
Hình 1.5:
Hình 2.1:
Hình 2.2:
Hình 2.3:
Hình 2.4:
Hình 2.5:
Hình 2.6:
Hình 2.7:

Minh họa hệ thống điện độc lập ......................................... 13
Cấu tạo của ắc quy chì ........................................................ 16
Cấu trúc siêu tụ - hai lớp ..................................................... 19
Hình dáng bên ngoài của siêu tụ ......................................... 20
Minh họa thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ ........................ 24
Bộ biến đổi tăng - giảm áp .................................................. 27
Bộ biến đổi buck ................................................................. 28
Điện áp và dòng qua cuộn cảm ........................................... 29
Mạch boost cơ bản .............................................................. 32
Mạch boost với khóa ở trạng thái đóng (a) và mở (b) ........ 32
Điện áp và dòng điện của bộ biến đổi ở chế độ liên tục ..... 32
Thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ được tích hợp vào nguồn
điện độc lập theo phương án bù phân tán ........................... 35

Hình 2.8: Cấu trúc mạch lực bộ biến đổi DC - DC dùng trong siêu
tụ ......................................................................................... 39
Hình 2.9: Phân tích các cấu hình mạch điện của DC - DC ở chế độ
nạp ....................................................................................... 40
Hình 2.10: Phân tích các cấu hình mạch điện của DC - DC ở chế độ
xả ......................................................................................... 41
Hình 3.1: Bộ điều khiển theo quy luật PID......................................... 43
Hình 3.2: Dải tần số mà ở đó có biên độ hàm đặt tính bằng 1, càng rộng
càng tốt ................................................................................ 46
Hình 3.3: Cấu trúc chung của bộ biến đổi DC-DC ............................. 47
Hình 3.4: Mô hình đơn giản của bộ biến đổi boost ............................ 48
Hình 3.5: Mô hình đơn giản của bộ biến đổi buck ............................. 49
Hình 4.1: Bộ biến đổi DC - DC và DC - AC cho siêu tụ.................... 52
Hình 4.2: Mạch giảm áp sử dụng IC LM2569S ................................. 52
Hình 4.3: Sơ đồ nguyên lý mạch giảm áp sử dụng IC LM2569S....... 53
Hình 4.4: Điện áp đầu vào mạch giảm áp sử dụng IC LM2569S ....... 53
Hình 4.5: Điện áp đầu ra nhỏ nhất của mạch giảm áp sử dụng IC
LM2569S ............................................................................. 54
Hình 4.6: Điện áp đầu ra nhỏ nhất của mạch giảm áp sử dụng IC
LM2569S ............................................................................. 54
Hình 4.7: Mạch tăng áp sử dụng IC XL6009 ..................................... 55
Hình 4.8: Sơ đồ khai triển của IC XL6009 ......................................... 55
Hình 4.9: Sơ đồ nguyên lý của mạch tăng áp sử dụng IC XL6009 .... 55
Hình 4.10: Điện áp vào của mạch tăng áp sử dụng IC XL6009 ........... 56
Hình 4.11: Điện áp ra lớn nhất của mạch tăng áp sử dụng IC XL6009 56
Hoàng Văn Long K16-KTĐ-ĐHKTCN Thái Nguyên

Page vii

Luận văn tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện

Hình 4.12:
Hình 4.13:
Hình 4.14:
Hình 4.15:

Điện áp ra 20V của mạch tăng áp sử dụng IC XL6009 ...... 57
Sơ đồ lắp ráp bộ biến đổi DC - AC theo tài liệu ................ 57
Điện áp ra hình sin 220V bộ biến đổi DC - AC ................. 58
Điện áp ra hình sin 220V nhìn gần ..................................... 58

Hoàng Văn Long K16-KTĐ-ĐHKTCN Thái Nguyên

Page viii


Luận văn tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện

MỞ ĐẦU
Năng lượng tạo ra nguồn điện năng hiện nay chủ yếu là nhiên liệu hoá
thạch, dầu, khí và nước. Các nguồn nguyên liệu này đang ngày càng cạn kiệt
với tốc độ khai thác sử dụng hiện nay. Không những vậy, còn gây ra các hệ quả
và thảm hoạ.
- Nguồn nước sản xuất điện đang đứng trước các thách thức:
Do việc ngăn đập lớn tạo nguồn nước để sản xuất điện đã làm thay đổi
môi trường rất lớn: làm mất một số diện tích rừng, làm khô hạn hạ nguồn do đó
làm ảnh hưởng lớn đến sản xuất nông nghiệp, đến môi sinh nhiều vùng rộng
lớn. Do đó nó cũng không phải là nguồn năng lượng sạch và an toàn. Nguồn
điện năng này cũng cạnh tranh nguồn nước với sản xuất.

- Nguồn năng lượng nguyên tử chưa thực sự an toàn: là một ứng dụng
công nghệ cao để tạo ra điện năng, rất dồi dào nhưng đã xảy ra nhiều thảm hoạ
mà những công nghệ hiện đại nhất cũng không tránh khỏi rủi ro. Ngày 05 tháng
6 năm 2011 Chính phủ Đức công bố đến năm 2020 nước này sẽ đóng cửa các
nhà máy điện hạt nhân, và họ đang sử dụng ngày càng nhiều năng lượng tái tạo,
đặc biệt là từ Mặt trời và ánh sáng mặt trời.
- Các nguồn liệu sinh học cho sản xuất điện rất hạn chế và giá thành rất
cao: nguồn liệu từ các sản phẩm nông nghiệp như mía-cồn, cây có dầu... hiện
nay đang được chú ý nghiên cứu để sử dụng làm nhiên liệu - chạy điện, nhưng
giá thành khá cao và chúng cạnh tranh với nhu cầu lương thực, các nền sản xuất
khác như chăn nuôi, chế biến thực phẩm...
- Nguồn năng lượng tự nhiên tái tạo:
Về năng lượng mặt trời:
Năng lượng mặt trời là một trong các nguồn năng lượng tái tạo quan trọng
nhất mà thiên nhiên ban tặng cho hành tinh chúng ta. Đồng thời nó cũng là nguồn
gốc của các nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng gió, năng lượng sinh
khối, năng lượng các dòng sông,… Năng lượng mặt trời có thể nói là vô tận.
Hoàng Văn Long K16-KTĐ-ĐHKTCN Thái Nguyên

Page

1


Luận văn tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện

Việt Nam nằm trong vùng nhiệt đới, số giờ nắng trung bình khoảng 2.000
- 2.500 giờ/năm với tổng lượng bức xạ mặt trời trung bình khoảng 150
Kcal/cm2/năm, tiềm năng lý thuyết được đánh gía khoảng 43,9 tỷ tấn dầu tương
đương (TOE)/năm.

Hiện nay, việc sử dụng năng lượng mặt trời (NLMT), thay thế cho việc
sử dụng các nguồn năng lượng điện được sản xuất ra nhờ các nguồn nguyên
liệu hóa thạch truyền thống như than đá, dầu mỏ, khí đốt,… đã trở nên rất phổ
biến tại các quốc gia phát triển. Việc ứng dụng các giải pháp để sử dụng năng
lượng mặt trời tại Việt Nam còn rất mới mẻ. Trong khi đó, Việt nam được đánh
giá là một quốc gia có tiềm năng rất lớn về nguồn năng lượng tái tạo này. Đây
lại là nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm, không cạnh tranh nguồn liệu.
Tuy nhiên do công nghệ còn mới mẻ nên hiện tại giá thành kw/h còn cao so với
thuỷ điện, nhiệt điện. Nhưng theo các nhà khoa học, đây là nguồn năng lượng
chiếu sáng quan trọng cho tương lai gần. Do đó, việc xây dựng “ hệ thống chiếu
sáng công cộng sử dụng năng lượng mặt trời kết hợp với điện lưới” là một việc
cấp thiết.
Với mục tiêu khai thác nguồn năng lượng tái tạo để từng bước thay thế
các nguồn năng lượng truyền thống đang cạn kiệt và giảm thiểu ô nhiễm, hiệu
ứng nhà kính cũng như tạo điều kiện thuận lợi hơn cho việc phát triển nguồn
năng lượng này, Việt Nam đã có chiến lược và chính sách khá cụ thể. Luật Điện
lực ngày 03 tháng 12 năm 2004; Luật sửa đổi, bổ sung một số điều của Luật
Điện lực ngày 20 tháng 11 năm 2012 đã quy định về chính sách phát triển điện
nông thôn, miền núi, hải đảo. Quy hoạch phát triển điện quốc gia giai đoạn
2006 - 2015 có xét đến 2025 được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt tháng 7/2007
cũng nêu rõ các chương trình đầu tư phát triển điện nông thôn tiếp tục được
thực hiện với mục tiêu phấn đấu đến năm 2010 có 95% và năm 2015 có 100%
các xã có điện. Đặc biệt, trong chiến lược phát triển năng lượng quốc gia của
Việt Nam đến năm 2020, tầm nhìn đến năm 2050 được Thủ tướng Chính phủ
phê duyệt tháng 12/2007, mục tiêu đẩy mạnh phát triển năng lượng mới và tái
tạo đã được nhấn mạnh.
Hoàng Văn Long K16-KTĐ-ĐHKTCN Thái Nguyên

Page

2


Luận văn tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện

Việc nghiên cứu tìm ra các nguồn năng lượng mới và sạch đã trở thành
nghiên cứu mũi nhọn của nhiều quốc gia, đặc biệt là các nước phát triển. Trong
công cuộc đi tìm nguồn năng lượng mới này con người đã đạt được những
thành công nhất định.
Nguồn điện độc lập sinh ra từ các tổ hợp phát điện từ các tấm pin mặt
trời và máy phát điện Diezen quy mô nhỏ và vừa, lưới điện có công suất hạn
chế mang tính chất lưới yếu độc lập hoàn toàn với lưới điện quốc gia mang tính
chất lưới cứng. Các nguồn năng lượng tái tạo đặc biệt là năng lượng Mặt trời
được xem là một nguồn năng lượng tiềm năng để bổ sung cho hệ thống điện
độc lập. Hệ thống điện độc lập thông thường lấy nguồn năng lượng từ tổ hợp
phát điện Diezen làm nền, là nguồn cung cấp năng lượng chính, nguồn năng
lượng từ hệ thống phát điện năng lượng Mặt trời (NLMT) được huy động để
giảm thiểu lượng tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch [4].
Nguyên tắc cơ bản để một hệ thống điện ổn định là sự cân bằng công
suất giữa nguồn phát và tải tiêu thụ. Mối quan hệ cân bằng nói trên phản ánh
sự cân bằng giữa công suất cơ của các nguồn năng lượng cơ sơ cấp cung cấp
cho các máy phát với công suất điện tiêu thụ của phụ tải và các tổn hao. Trong
hệ thống NLMT, Năng lượng sinh từ bức xạ Mặt trời lại biến động thất thường
theo thời gian, ngẫu nhiên và không thể điều khiển được. Khi một hệ thống
NLMT hòa vào lưới quốc gia thì phải tuân theo những tiêu chuẩn cơ bản của
nhà quản trị về điện áp, tần số, sóng hài được quy định trong Grid-Codes, lưới
điện quốc gia coi như một kho năng lượng vô hạn có khả năng hấp thụ tất cả
lượng công suất phát vào. Với hệ thống điện độc lập, công suất nguồn phát lẫn
dung lượng dây truyền tải là hữu hạn. Hệ thống điện độc lập mang đặc điểm
lưới yếu, quán tính thấp nên rất nhạy cảm với những biến động của cả nguồn

phát cũng như phụ tải.
Đảm bảo nguyên tắc cân bằng công suất nói trên, hệ thống điều khiển
giám sát (SCADA) có những sự tác động mang tính chất điều độ để vận hành
lưới ổn định như: Điều chỉnh công suất nguồn phát, sa thải phụ tải. Khi điều
Hoàng Văn Long K16-KTĐ-ĐHKTCN Thái Nguyên

Page

3


Luận văn tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện

chỉnh công suất nguồn phát, hệ thống điện độc lập có khả năng tác động: Điều
chỉnh nguồn phát Diezen. Với hệ thống NLMT, công suất đầu ra không chủ
động huy động được. Với nguồn phát Diezen, tác động điều độ có thể diễn ra
chủ động theo cả chiều tăng và giảm công suất nguồn phát. Khi nguồn phát
năng lượng Mặt trời được huy động cùng với nguồn phát Diezen, sự chia sẻ
công suất tác dụng giữa các nguồn phát dẫn tới đòi hỏi điều chỉnh công suất
liên tục đưa tới hệ thống điều khiển tốc độ của động cơ Diezen để điều chỉnh
công suất cơ của động cơ sơ cấp. Trong khi đó ở hệ thống điện độc lập, nguồn
phát Diezen đóng vai trò hình thành lưới, tần số lưới tỷ lệ với tốc độ quay của
động cơ sơ cấp Diezen. Chính hiện tượng điều chỉnh liên tục công suất nguồn
phát làm cho tần số lưới luôn biến động gây suy giảm nghiêm trọng chất lượng
điện năng, ảnh hưởng tiêu cực đến sự hoạt động của các thiết bị điện cũng như
chính bản thân tuổi thọ của động cơ Diezen. Vì vậy, để khai thác hiệu quả năng
lượng Mặt trời trong hệ thống điện độc lập cần thiết phải có giải pháp kỹ thuật
phù hợp để giảm thiểu hiện tượng biến động công suất sao cho chất lượng điện
năng (tần số) của cả hệ thống phải được đảm bảo phù hợp với một số tiêu chuẩn
IEEE 1547.4, EN 50160 hoặc IEC cho phép tần số lưới có sai lệch 50 ± 1%.

Một trong những giải pháp phát huy được hiệu quả đó là sử dụng thiết bị kho
điện để bổ sung công suất thiếu hụt hoặc hấp thụ công suất dư thừa của nguồn
phát năng lượng Mặt trời qua đó làm trơn (smoothing) công suất đầu ra của các
hệ thống NLMT. Siêu tụ có những ưu thế vượt trội so với các công nghệ tích
trữ năng lượng khác trong những ứng dụng đòi hỏi động học nhanh. Thiết bị
kho điện sử dụng siêu tụ (SCESS - Supercapacitor Energy Storage Systems)
bao gồm siêu tụ và hệ thống biến đổi năng lượng (tầng công suất) có khả năng
trao đổi công suất hai chiều đã được một số nhà khoa học nghiên cứu, thử
nghiệm tích hợp trong hệ thống điện với mục tiêu đảm bảo chất lượng điện
năng. Các chiến lược điều khiển và cấu trúc điều khiển của các công trình
nghiên cứu trước đây phong phú nhưng vấn đề điều khiển bộ biến đổi DC-DC
hai chiều còn nhiều hạn chế như: Điều khiển tách biệt hai chiều năng lượng đòi
Hoàng Văn Long K16-KTĐ-ĐHKTCN Thái Nguyên

Page

4


Luận văn tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện

hỏi phải có khóa chuyển giữa các chế độ; hoặc điều khiển hợp nhất hai chiều
năng lượng sử dụng một cấu trúc điều khiển nhưng cơ sở thiết kế bộ điều khiển
không tường minh do thiếu một mô hình động học phù hợp với các phương
pháp điều khiển tuyến tính, phi tuyến. Những tồn tài đó dẫn tới nguy cơ suy
giảm chất lượng hay thậm chí hệ mất ổn định khi điểm công tác thay đổi, tham
số của hệ thay đổi[7][1][4]. Vì vậy, trong luận văn này, tác giả thực hiện phân
tích các chế độ làm việc của bộ biến đổi DC-DC hai chiều không cách ly để
dẫn tới một mô hình động học mô tả thống nhất hai chiều năng lượng. Các
phương pháp điều khiển tuyến tính bước đầu được áp dụng đối với mô hình

động học thống nhất hai chiều năng lượng của hệ.
Đối tượng nghiên cứu:
Thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ với ba thành phần: Siêu tụ, bộ biến đổi
DC-DC hai chiều.
Mục đích nghiên cứu:
Đề xuất cấu trúc điều khiển thích hợp và có hiệu quả đối với hệ thống
kho điện sử dụng siêu tụ để đảm bảo chất lượng điện năng của hệ thống điện
độc lập nguồn phát hỗn hợp năng lượng Mặt trời - Diezen.
Kiểm chứng cấu trúc điều khiển hệ thống kho điện được đề xuất thông
qua những minh chứng bằng lý thuyết và thực nghiệm.
Phương pháp nghiên cứu:
Nghiên cứu trên lý thuyết các thuật toán điều khiển thiết bị kho điện đảm
bảo tính ổn định, chất lượng điện năng của hệ thống điện độc lập nguồn phát
hỗn hợp năng lượng Mặt trời - Diezen.
Kiểm chứng khả năng làm việc của các cấu trúc điều khiển đề xuất cho
SCESS trên công cụ mô phỏng và thực nghiệm.
Phạm vi nghiên cứu:
Hệ thống điện độc lập được vận hành ở chế độ phụ tải biến động ngẫu nhiên.
Phụ tải của hệ thống được giả thiết: Phân bố tập trung, đối xứng với hai
dạng thuần trở và tải trở cảm.

Hoàng Văn Long K16-KTĐ-ĐHKTCN Thái Nguyên

Page

5


Luận văn tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện

Thiết bị kho điện không vận hành ở chế độ sự cố lưới: Ngắn mạch,
lồi/lõm điện áp, mất đối xứng điện áp/dòng điện.
Thiết bị kho điện chỉ thực hiện chức năng ổn định ngắn hạn công suất
từng hệ thống NLMT riêng rẽ (bù phân tán); không xử lý vấn đề hỗ trợ phụ tải
đỉnh.
Ý nghĩa của đề tài:
Trong những năm gần đây, các hệ thống phát điện năng lượng Mặt trời
trên thế giới cũng như trong nước phát triển mạnh mẽ. Do chưa có cấu trúc và
thiết kế cụ thể, để giải quyết vấn đề giảm thiểu sự ảnh hưởng của hiện tượng
biến động công suất của phụ tải đến hệ thống điện độc lập. Luận văn đặt ra mục
tiêu thiết kế cấu trúc điều khiển quá trình trao đổi năng lượng của thiết bị kho
điện nhằm ổn định ngắn hạn khi công suất phụ tải có biến động trong thời gian
ngắn, qua đó đảm bảo chất lượng điện năng trong hệ thống điện độc lập nguồn
phát hỗn hợp năng lượng Mặt trời - Diezen.
Với những tiền đề như vậy luận văn hứa hẹn đem lại những ý nghĩa tích
cực về mặt khoa học lẫn thực tiễn:
Ý nghĩa khoa học: Chỉ ra khả năng ổn định công suất đầu ra của hệ thống
NLMT bằng thiết bị kho điện SCESS với những cấu trúc điều khiển thích hợp
sẽ nâng cao chất lượng điện năng trong hệ thống điện độc lập nguồn phát hỗn
hợp năng lượng Mặt trời - Diezen.
Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu này sẽ là tiền đề cho việc tích hợp
thiết bị kho điện phù hợp với một số lưới điện chiếu sáng độc lập nói riêng và
hệ thống điện vi lưới cô lập nói chung tại Việt Nam để nâng cao độ tin cậy vận
hành, giảm thiểu sự tiêu thụ năng lượng hóa thạch so với lưới điện truyền thống
(chưa tích hợp kho điện).
Bố cục luận án gồm 4 chương chính như sau:
Chương 1. NGHIÊN CỨU KHÁI QUÁT VỀ NĂNG LƯỢNG MỚI VÀ
NGUỒN ĐIỆN ĐỘC LẬP
Giới thiệu về năng lượng mới và tái tạo. Đưa ra cấu trúc hệ thống điện
độc lập và thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ. Từ đó nêu những vấn đề mà luận

văn cần tập trung nghiên cứu, giải quyết.
Hoàng Văn Long K16-KTĐ-ĐHKTCN Thái Nguyên

Page

6


Luận văn tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện

Chương 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH THIẾT BỊ KHO ĐIỆN SỬ DỤNG
SIÊU TỤ
Trình bày về mô hình toán của siêu tụ, bộ biến đổi DC-DC hai chiều không
cách ly và nghịch lưu nguồn áp DC-AC. Cấu trúc điều khiển tổng thể của SCESS
và cấu trúc điều khiển chi tiết của các bộ biến đổi DC-AC và DC-DC.
Chương 3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC
Trình bày về cấu trúc điều khiển bộ biến đổi DC - DC bằng PID và tổng
hợp thông số cho bộ biến đổi.
Chương 4. ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG BỘ BIẾN ĐỔI DC - DC VÀ
DC - AC
Các kết quả thu được trên mô hình thí nghiệm các bộ biến đổi nói trên
chứng minh cho khả năng làm việc, hiệu quả của những giải pháp được đề xuất.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ chỉ ra những đóng góp của luận văn và
hướng phát triển tiếp theo.

Hoàng Văn Long K16-KTĐ-ĐHKTCN Thái Nguyên

Page

7

Luận văn tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện

Chương 1
NGHIÊN CỨU KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MỚI
VÀ NGUỒN ĐIỆN ĐỘC LẬP
1.1. Các nguồn và công nghệ năng lượng mới
Năng lượng loài người đang sử dụng được xuất phát từ nhiều nguồn khác
nhau, có thể kể đến như sau:
- Từ thiên nhiên: Than đá, than bùn, dầu, khí thiên nhiên và địa nhiệt...
- Do nhân tạo: Có nguồn năng lượng từ thủy điện còn được gọi là than
trắng, nguồn năng lượng nguyên tử, năng lượng từ Mặt trời, năng lượng từ ánh
sáng mặt trời và năng lượng thủy triều…
 Đối với năng lượng tài nguyên thiên nhiên thuộc nhóm thứ nhất: theo
ước tính thì khoảng độ 80 năm nữa nguồn năng lượng trên sẽ bị cạn kiệt vì con
người đã và đang sử dụng nhanh hơn mức tái tạo của thiên nhiên.
 Đối với nguồn năng lượng đến từ nhóm hai:
- Thủy điện đã xuất hiện từ hơn 70 năm trước đây và đã là nguồn hy vọng
cho nhân loại trong một thời gian dài. Ban đầu căn cứ theo hướng suy nghĩ của
những nhà khoa học thời bấy giờ thì thủy điện là một nguồn điện năng sạch và
hoàn hảo vì không tạo ra ô nhiễm môi trường, năng lượng có khả năng tái tạo.
Do đó, đập thủy điện được tiếp nối xây dựng ồ ạt từ những nước phát triển cho
đến những nước đang phát triển. Tuy nhiên, trong khoảng 20 năm trở lại đây,
khoa học gia trên thế giới đã nhận định đúng đắn thảm họa môi trường do thủy
điện gây ra. Đó là:
+ Thủy điện đã làm đảo lộn hoàn toàn hệ sinh thái của một vùng rộng lớn
chung quanh hồ chứa cũng như ở thượng nguồn và hạ nguồn của đập.
+ Thủy điện làm giảm thiểu hoặc hủy diệt đa dạng sinh học của toàn vùng
có thủy điện.

+ Hiệu quả kinh tế của thủy điện hoàn toàn đảo ngược vì chi phí cần thiết
để tái tạo lại môi trường thiên nhiên cao hơn lợi nhuận do việc cung cấp điện
Hoàng Văn Long K16-KTĐ-ĐHKTCN Thái Nguyên

Page

8


Luận văn tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện

năng. Ví dụ, điển hình xác minh qua trường hợp của hàng chuỗi đập thiết lập dọc
sông Colorado (Hoa kỳ) và Hoàng Hà (Trung Quốc), sau một thời gian khai thác,
dòng chảy của hai con sông này không còn điểm đến là vịnh Mễ Tây cơ và biển
Trung Hoa nữa. Ở Việt Nam, dù mới khai thác đập thủy điện trong khoảng hơn
20 năm nay nhưng nhiều tác hại đã xảy ra như trường hợp đập Yali đã làm ngập
lụt thành phố Ratanakiri, Campuchia năm 2000 hay một lượng lớn dân đã phải
di cư khi xây dựng nhà máy thủy điện Hòa Bình và Sơn La...
- Nguồn năng lượng nguyên tử đang được nhiều quốc gia Tây phương tây
áp dụng vì nhu cầu gia tăng. Tuy nhiên, đối với nguồn năng lượng nguyên tử
mức an toàn trong vận hành vẫn là một dấu hỏi lớn và tác hại đến con người và
môi trường trong trường hợp tai nạn xảy ra đã làm cho nhiều quốc gia do dự
khi quyết định xây dựng thêm nhà máy điện nguyên tử. Ví dụ, thảm họa
Cherobyl ở Liên xô cũ năm 1986 với 31 người thiệt mạng trực tiếp và khoảng
93.000 người chết do nhiễm phóng xạ sau đó. Ngoài ra, phế thải của nhà máy
điện nguyên tử vẫn còn là một vấn đề nan giải chưa giải quyết được của nhân
loại.
- Năng lượng Mặt trời được các nước phát triển và các quốc gia gần vùng
xích đạo quan tâm phát triển nhiều hơn. Tuy nhiên, do hạn chế về công nghệ
và giá thành sản xuất cao nên năng lượng Mặt trời chưa được phát triển ở những

nước đang phát triển.
1.2. Vai trò của nguồn năng lượng mới
Do hạn chế của các nguồn năng lượng truyền thống như: Than đá, dầu mỏ,
khí đốt, nhà máy điện hạt nhân và thủy điện… nên hiện nay các nước trên thế
giới đang tập trung nghiên cứu phát triển các nguồn năng lượng mới thay thế
cho các nguồn năng lượng truyền thống.
Công nghệ năng lượng mới hiện nay đã được phát triển mạnh và đang trên
đường thương mại hóa với giá thành ngày càng giảm, có thể đáp ứng được yêu
cầu hiện nay gồm:
- Thủy điện nhỏ.
Hoàng Văn Long K16-KTĐ-ĐHKTCN Thái Nguyên

Page

9


Luận văn tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện

- Năng lượng Mặt trời.
- Năng lượng khác: Năng lượng sinh khối, năng lượng địa nhiệt, năng
lượng thủy triều…
 Trong đó thủy điện nhỏ đã được phát triển khá mạnh trên thế giới cũng
như tại Việt Nam, năng lượng Mặt trời đã được các nước phát triển nghiên cứu
và phát triển với qui mô công nghiệp tuy nhiên do phụ thuộc vào vị trí địa lý
nên hiện nay trên thế giới chỉ được phát triển mạnh ở một số nước Châu âu như:
Hà Lan, Đức… các dạng năng lượng khác như Năng lượng sinh khối, năng
lượng địa nhiệt, năng lượng thủy triều chưa có khả năng phát triển tại thời điểm
hiện tại do hạn chế về công nghệ và giá thành, năng lượng mặt trời hiện nay đã
được phát triển và ứng dụng mạnh mẽ với nhiều ưu điểm nên trong luận văn

này tập trung nghiên cứu về năng lượng mặt trời.
Năm 2003, mức sản xuất hệ thống biến năng lượng mặt trời thành điện
năng (có tên là Photovoltaic - PV) trên toàn thế giới đạt đến mức 700 MW, tăng
34% so với năm 2002. Quốc gia có mức tăng trưởng nhanh nguồn năng lượng
trên là Nhật Bản với 45% và Âu Châu khoảng 40%.
Công nghệ năng lượng mặt trời sử dụng nguồn năng lượng mặt trời để
chuyển hóa thành nhiệt năng, điện năng. Đối với quốc gia thuộc vùng nhiệt đới
trong đó có Việt Nam, hệ thống thiết bị năng lượng này sẽ có tiềm năng lớn để
giải quyết nhu cầu thiếu hụt năng lượng cho tương lai.
Nguồn năng lượng mặt trời có khá nhiều ưu điểm gồm:
- Không làm ô nhiễm môi trường.
- Không tạo ra hiệu ứng nhà kính.
- Không tạo ra phế thải rắn (như nguồn năng lượng do than đá, khí đốt, và
năng lượng nguyên tử).
- Có thể thiết lập ngay tại khu đông đúc gia cư, ngay trên nóc chung cư và
cơ sở sản xuất lớn.
Mặc dù hiện nay giá thành của việc thiết lập một hệ thống PV cao hơn 10
lần so với một nhà máy nhiệt điện dùng than đá, 2 lần so với với nhà máy
Hoàng Văn Long K16-KTĐ-ĐHKTCN Thái Nguyên

Page 10


Luận văn tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện

nguyên tử, 4 lần so với nhà máy dùng khí đốt… Tuy nhiên, chi phí điện năng
sử dụng sẽ được giữ cố định trong vòng 20 năm sau đó vì hệ thống không cần
đến nhu cầu nguyên liệu và PV đã được bảo đảm vận hành lâu dài.
1.3. Nguồn năng lượng mới ở Việt Nam
Việt Nam là một quốc gia đang phát triển, do đó nhu cầu năng lượng ngày

càng tăng với tốc độ tăng trưởng khoảng (15-20)%. Hiện tại chính sách quốc
gia của Việt Nam về nhu cầu năng lượng dựa vào việc thiết lập hệ thống các
nhà thủy điện, nhà máy nhiệt điện tua bin hơi và tua bin khí, một số nhà máy
điện nguyên tử…
Tuy nhiên, để đảm bảo phát triển bền vững và đặc biệt cân bằng được năng
lượng của quốc gia trong tương lai, Việt Nam đã và đang tập trung nghiên cứu
phát triển các nguồn năng lượng mới trong đó:
- Thủy điện nhỏ đã được quan tâm đầu tư phát triển mạnh mẽ trong vài
năm gần đây và phần nào góp phần giảm thiếu hụt điện năng của hệ thống điện
quốc gia.
- Năng lượng Mặt trời đã được đầu tư nghiên cứu và xây dựng thử nghiệm
trên đảo Cát Bà nhưng hiệu quả chưa cao.
- Năng lượng mặt trời vẫn là một nguồn năng lượng tối ưu trong tương lai
cho điều kiện Việt Nam đứng về phương diện địa dư và nhu cầu phát triển kinh
tế. Nguồn năng lượng này sẽ góp phần vào:
+ Hạn chế hiệu ứng nhà kính và sự hâm nóng toàn cầu.
+ Giải quyết ô nhiễm môi trường do việc gia tăng dân số và phát triển xã
hội của quốc gia trên thế giới.
+ Bổ túc vào sự thiếu hụt năng lượng trong tương lai khi nguồn năng lượng
trong thiên nhiên sắp bị cạn kiệt.
- Năng lượng địa nhiệt và thủy triều đã bước đầu đầu tư nghiên cứu và ứng
dụng trên thế giới, tại Việt Nam do điều kiện về khoa học kỹ thuật và nền kinh
tế chưa phát triển nên chưa được đầu tư nghiên cứu mặc dù với bờ biển trải dài
từ bắc vào nam nên tiềm năng là rất lớn.
Hoàng Văn Long K16-KTĐ-ĐHKTCN Thái Nguyên

Page 11


Luận văn tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện

- Năng lượng tái tạo đã được đầu tư nghiên cứu và đã phát triển, tuy nhiên
do đặc thù của năng lượng tái tạo phân tán nhỏ lẻ khó tập trung nên chỉ thích
hợp cho năng lượng nông thôn khó phát triển để sản xuất điện năng.
1.4. Khái niệm về hệ thống điện độc lập
1.4.1. Giới thiệu chung
Hệ thống điện độc lập (RAPS - Remote Area Power Systems) là một hệ
thống điện độc lập hoàn toàn với lưới điện quốc gia nằm ở những khu vực xa
xôi - nơi mà lưới điện quốc gia không có khả năng vươn tới được. Hệ thống
điện nói chung bao gồm các nhà máy điện, trạm biến áp, các đường dây tải
điện và các thiết bị khác (như tụ bù, thiết bị bảo vệ,…) được liên kết với nhau.
Đối với hệ thống điện độc lập truyền thống, nguồn phát điện thường là các trạm
phát sử dụng năng lượng từ dầu Diezen (gọi là tổ hợp phát điện Diezen). Sự
phát triển mạnh mẽ của các công nghệ năng lượng tái tạo, các hệ thống phát
điện pin năng lượng Mặt trời được tích hợp thêm vào hệ thống điện độc lập
truyền thống với mục tiêu giảm tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch. Khi đó, hệ thống
điện độc lập truyền thống trở thành một hệ thống điện với nguồn phát hỗn hợp
như minh họa Hình 1.1. Hệ thống điện độc lập có thể phối hợp nhiều nguồn
phát điện nhưng phổ biến nhất là hệ thống kết hợp giữa các hệ phát điện năng
lượng mặt trời với các tổ hợp phát điện Diezen, hệ thống khi đó được gọi là hệ
thống điện lai năng lượng mặt trời - Diezen. Hệ thống điện lai năng lượng mặt
trời - Diezen được hình thành bởi hệ thống pin mặt trời kết hợp với một hoặc
vài trạm phát điện Diezen cung cấp điện năng cho phụ tải thông qua lưới điện
hạ áp. Tùy theo quy mô và đặc điểm phân bố của phụ tải mà hệ thống điện lai
năng lượng mặt trời - Diezen có thể có hoặc không có lưới truyền tải. Phụ tải
điện của hệ thống chiếu sáng công cộng là phụ tải 0,4kV.
Ở chế độ độc lập hệ thống điện lai năng lượng mặt trời - Diezen tự chịu
trách nhiệm về cân bằng giữa các nguồn phát với tải tiêu thụ để duy trì các chỉ
tiêu chất lượng điện năng như tần số, điện áp trong giới hạn cho phép. Các
nguồn phát trong hệ thống điện lai năng lượng mặt trời - Diezen bao gồm:

Hoàng Văn Long K16-KTĐ-ĐHKTCN Thái Nguyên

Page 12


Luận văn tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện

nguồn phát có khả năng điều độ là những trạm phát điện diezen và những
nguồn phát biến động thất thường từ hệ thống pin năng lượng Mặt trời. Do đó,
để đảm bảo chất lượng điện năng và độ tin cậy, hệ thống điện lai năng lượng
mặt trời - Diezen thường được tích hợp thêm thiết bị tích trữ năng lượng tạm
gọi tắt là kho điện (Energy Storage Systems - ESS). Thiết bị kho điện có thể
được lắp đặt rải rác ở những vị trí cần bù (bù phân tán) hoặc lắp đặt tập trung
ở bus kết nối tất cả các nguồn phát (bù tập trung) như thể hiện trên Hình 1.1.

Hình 1.1: Minh họa hệ thống điện độc lập
1.4.2. Vấn đề đảm bảo chất lượng điện năng
Hệ thống điện lai năng lượng mặt trời - Diezen, công suất nguồn phát lẫn
dung lượng lưới truyền tải là hữu hạn. Hệ thống điện lai năng lượng mặt trời Diezen không trao đổi công suất với lưới điện quốc gia mà phải tự đảm bảo
các chỉ tiêu chất lượng điện năng trên cơ sở nguyên tắc cơ bản của bất cứ hệ
thống điện nào: Cân bằng công suất giữa nguồn và tải. Trong những nhân tố
đó, phụ tải biến động ngẫu nhiên (có thể dự đoán được nhưng không hoàn toàn
Hoàng Văn Long K16-KTĐ-ĐHKTCN Thái Nguyên

Page 13