Phân tích hệ thống điện lai năng lượng mặt trời và gió

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

---------------------------

NGUYỄN VĂN ÚT

PHÂN TÍCH HỆ THỐNG ĐIỆN LAI NĂNG
LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ GIÓ

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

---------------------------

NGUYỄN VĂN ÚT

PHÂN TÍCH HỆ THỐNG ĐIỆN LAI NĂNG
LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ GIÓ

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. HUỲNH CHÂU DUY
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2018

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Huỳnh Châu Duy
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM
ngày … tháng … năm …
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)

TT
1
2
3
4
5

Họ và tên

Chức danh Hội đồng
Chủ tịch
Phản biện 1
Phản biện 2
Ủy viên
Ủy viên, Thư ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được

sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV


TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
Tp.HCM, ngày......tháng........năm 20...

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Nguyễn Văn Út

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh:

Nơi sinh:

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

MSHV:

I- Tên đề tài:
Phân tích hệ thống điện lai năng lượng mặt trời và gió
II- Nhiệm vụ và nội dung:
- Nghiên cứu tình hình khai thác và sử dụng nguồn các nguồn năng lượng tái tạo;
- Nghiên cứu tổng quan hệ thống điện năng lượng mặt trời và gió;
- Nghiên cứu xây dựng mô hình toán hệ thống điện năng lượng mặt trời và gió;
- Nghiên cứu điều khiển vận hành hệ thống điện năng lượng mặt trời và gió;

- Mô phỏng điều khiển vận hành hệ thống điện năng lượng mặt trời và gió.
III- Ngày giao nhiệm vụ:
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ:
V- Cán bộ hướng dẫn: PGS. TS. Huỳnh Châu Duy
CÁN BỘ HUỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)


LỜI CAM ÐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu và
kết quả đạt được trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã
được cảm ơn và các tài liệu tham khảo trong Luận văn đã được trích dẫn đầy đủ
nguồn gốc.
Học viên thực hiện Luận văn

Nguyễn Văn Út


LỜI CÁM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy PGS. TS. Huỳnh Châu Duy đã tận tình
hướng dẫn và giúp đỡ tôi hoàn thành đầy đủ và tốt các nhiệm vụ được giao của đề
tài luận văn tốt nghiệp này.
Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô đã trang bị cho tôi nhiều kiến thức
quý báu của chuyên ngành Kỹ thuật điện mà là một nền tảng vững chắc cho tôi
hoàn thành tốt đề tài luận văn tốt nghiệp này.
Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể Lớp 16SMĐ12 đã động viên và giúp đỡ

tôi trong quá trình thực hiện đề tài luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn Quý Thầy Cô Trường Đại học Công nghệ Tp.
HCM; Viện Khoa học - Kỹ thuật HUTECH và Viện Đào tạo sau đại học đã tạo mọi
điều kiện tốt nhất cho tôi có thể hoàn thành khóa học và đề tài luận văn tốt nghiệp
này.

Nguyễn Văn Út


i

Tóm tắt
Do đặc thù riêng của ngành năng lượng tái tạo, chi phí đầu tư cho các
công nghệ năng lượng mặt trời, năng lượng gió,... vẫn còn khá cao; phương
thức khai thác cho từng nguồn năng lượng này cũng khác nhau. Điều này dẫn
đến các hạn chế về hiệu quả khai thác các nguồn năng lượng tái tạo nếu các
nguồn này được khai thác và sử dụng độc lập.
Việc ghép nối và phối hợp khai thác các nguồn năng lượng tái tạo là xu
hướng phát triển của ngành năng lượng điện.
Đây chính là lý do đề tài, “Nghiên cứu hệ thống điện lai năng lượng
gió và mặt trời nối lưới” được lựa chọn và thực hiện trong luận văn này. Kết
quả của nghiên cứu này là phù hợp cho nhu cầu cung cấp năng lượng điện đáp
ứng sự phát triển kinh tế - xã hội của một quốc gia, giảm thiểu các áp lực cho
các nguồn năng lượng điện truyền thống, giảm thiểu các vấn đề liên quan đến ô
nhiễm môi trường,...
Nội dung của luận văn bao gồm các chương như sau:
- Chương 1: Giới thiệu chung
- Chương 2: Cơ sở lý thuyết năng lượng mặt trời và gió
- Chương 3: Phân tích hệ thống điện lai năng lượng mặt trời và gió
- Chương 4: Mô phỏng hệ thống điện lai năng lượng mặt trời và gió

- Chương 5: Kết luận và hướng phát triển tương lai


ii

Abstract
Due to the specific characteristics of the renewable energy sector, the
investment cost for solar and wind energy technologies is still high. The
methods of exploitation for each source of energy are also different. This leads
to restrictions on the efficiency of the exploitation of renewable energy sources
if these resources are exploited and used independently. The coupling and
integration of renewable energy sources is a trend for the development of the
power sector. This is the main subject of the study, "Hybrid power systems of
wind and solar energy sources" selected and implemented in this thesis.
The results of this study are appropriate for the need to provide
electricity to meet the socio-economic development of a country, to reduce the
pressure on traditional power sources, to minimize problems related to
environmental pollution,...
The content of the thesis consists of the following chapters:
- Chapter 1: Introduction
- Chapter 2: Background to wind and solar energies
- Chapter 3: Analysis of hybrid power systems of wind and solar energy
sources
- Chapter 4: Simulation results
- Chapter 5: Conclusions and future works


iii

MỤC LỤC

Tóm tắt............................................................................................................ i
Mục lục ......................................................................................................... iii
Danh sách hình vẽ ........................................................................................ iv
Danh sách bảng............................................................................................ xx
Chương 1 - Giới thiệu chung ...................................................................... 1
1.1. Giới thiệu ................................................................................................ 1
1.2. Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu .............................................................. 2
1.3. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu ........................................................ 18
1.4. Phạm vi nghiên cứu .............................................................................. 18
1.5. Giá trị thực tiễn của luận văn ............................................................... 19
1.6. Nội dung của luận văn .......................................................................... 19
1.7. Kết luận ................................................................................................ 19
Chương 2 - Cơ sở lý thuyết năng lượng gió và mặt trời ........................ 21
2.1. Năng lượng mặt trời ............................................................................. 21
2.1.1. Giới thiệu ........................................................................................... 21
2.1.2. Các công nghệ sử dụng năng lượng mặt trời..................................... 22
2.1.3. Các ưu và nhược điểm của năng lượng mặt trời ............................... 23
2.1.4. Pin mặt trời ........................................................................................ 23
2.1.5. Các mô hình hệ thống pin mặt trời .................................................... 33
2.1.6. Bộ biến đổi nguồn ............................................................................. 36
2.2. Năng lượng gió ..................................................................................... 44
2.2.1. Sự hình thành năng lượng gió ........................................................... 44
2.2.2. Lịch sử phát triển nguồn năng lượng gió .......................................... 46
2.2.3. Năng lượng gió trên thế giới ............................................................. 46
2.2.4. Nguồn năng lượng gió tại Đông Nam Á ........................................... 48
2.2.5. Nguồn năng lượng gió tại Việt Nam ................................................. 48
2.2.6. Ứng dụng của năng lượng gió ........................................................... 52


iv

2.2.7. Tuabin gió .......................................................................................... 56
2.2.8. Những thuận lợi và khó khăn của việc sử dụng năng lượng gió ....... 57
2.2.9. Cấu tạo của tuabin gió ....................................................................... 58
2.2.10. Nguyên lý làm việc.......................................................................... 60
2.2.11. Hệ thống phát điện gió điển hình .................................................... 64
2.2.12. Kết nối máy phát điện gió với lưới điện .......................................... 73
2.2.13. Cấu hình hệ thống và nguyên lý hoạt động của máy phát điện gió
PMSG .......................................................................................................... 75
2.2.14. Mô hình toán của PMSG ................................................................. 77
2.3. Pin lưu trữ năng lượng .......................................................................... 82
2.3.1. Nguyên lý hoạt động của pin axít chì ................................................ 83
2.3.2. Quá trình nạp - xả của pin axít chì .................................................... 85
Chương 3 - Phân tích hệ thống điện lai năng lượng mặt trời và gió .... 87
3.1. Giới thiệu .............................................................................................. 87
3.2. Ưu và nhược điểm của các hệ thống điện lai ....................................... 88
3.2.1. Ưu điểm của các hệ thống điện lai .................................................... 88
3.2.2. Nhược điểm của các hệ thống điện lai .............................................. 88
3.3. Hệ thống điện lai năng lượng gió, mặt trời và ắc-quy.......................... 88
3.4. Hệ thống điện lai năng lượng mặt trời và pin nhiên liệu...................... 89
3.5. Hệ thống điện lai năng lượng mặt trời và gió....................................... 90
3.6. Tích trữ các nguồn năng lượng tái tạo .................................................. 91
3.6.1. Hệ thống tích trữ năng lượng bằng bơm nước thủy điện .................. 93
3.6.2. Hệ thống tích trữ năng lượng bằng khí nén ....................................... 94
Chương 4 - Mô phỏng hệ thống điện lai năng lượng mặt trời và gió ... 96
4.1. Giới thiệu .............................................................................................. 96
4.2. Kết quả mô phỏng .............................................................................. 101
4.2.1. Cường độ bức xạ và tốc độ gió không đổi ...................................... 101
4.2.2. Cường độ bức xạ thay đổi và tốc độ gió không đổi ........................ 105
4.2.3. Cường độ bức xạ ............................................................................. 110

v

Chương 5 - Kết luận và hướng phát triển tương lai ............................ 115
5.1. Kết luận .............................................................................................. 115
5.2. Hướng phát triển tương lai ................................................................. 115
Tài liệu tham khảo .................................................................................... 117


vi

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1. Sơ đồ khối hệ thống điện lai năng lượng gió và mặt trời ...................... 2
Hình 1.2. Sơ đồ khối hệ thống điện kết hợp gió và mặt trời ....................................4
Hình 1.3. Mô hình hệ thống điện kết hợp gió và mặt trời........................................4
Hình 1.4. Hệ thống điện kết hợp với hệ thống nguồn dự phòng..............................7
Hình 1.5. Hệ thống điện kết hợp không có hệ thống nguồn dự phòng ....................7
Hình 1.6. Hệ thống điện kết hợp cung cấp nguồn gián tiếp đến phụ tải thông qua
bộ điều khiển ............................................................................................................7
Hình 1.7. Các thành phần cơ bản của hệ thống điện kết hợp gió và mặt trời ..........8
Hình 1.8. Kết nối giữa các thành phần trong hệ thống điện kết hợp gió và mặt
trời ............................................................................................................................8
Hình 1.9. Sơ đồ khối của hệ thống điện kết hợp gió và mặt trời .............................9
Hình 1.10. Sơ đồ khối điều khiển bám điểm công suất cực đại cho hệ thống pin
quang điện sử dụng kỹ thuật điều khiển logic mờ .................................................10
Hình 1.11. Sơ đồ khối điều khiển bám điểm công suất cực đại cho hệ thống điện
gió sử dụng kỹ thuật điều khiển logic mờ ..............................................................10
Hình 1.12. Dự án hệ thống hỗn hợp Pin mặt trời – Diesel Bãi Hương ..................11
Hình 1.13. Dự án hệ thống điện năng lượng mặt trời và gió trên quần đảo Trường

Sa............................................................................................................................13
Hình 1.14. Hệ thống điện kết hợp gió, mặt trời và biogas .....................................15
Hình 1.15. Hệ thống điện kết hợp gió, mặt trời và biogas được lắp đặt tại Đảo
Mê, Tỉnh Thanh Hóa ..............................................................................................16
Hình 1.16. Trạm phát điện hỗn hợp năng lượng gió và mặt trời ...........................17

Hình 2.1. Pin mặt trời .................................................................................. 24
Hình 2.2. Các loại cấu trúc tinh thể của PV ................................................ 25
Hình 2.3. Các loại vật liệu PV ..................................................................... 26
Hình 2.4. Sơ đồ hoạt động của pin mặt trời silic ......................................... 27
Hình 2.5. Mạch tương đương của mảng PV................................................ 28
Hình 2.6. Đặc tính môđun PV khi cường độ ánh sáng mặt trời thay đổi và nhiệt
độ môi trường không đổi (250C) ............................................................................31


vii

Hình 2.7. Đặc tính môđun PV khi cường độ ánh sáng mặt trời không đổi và nhiệt
độ môi trường thay đổi...........................................................................................32
Hình 2.8. Sơ đồ khối hệ thống hòa lưới điện .........................................................34

Hình 2.9. Sơ đồ khối hệ thống làm việc độc lập ......................................... 35
Hình 2.10. Sơ đồ khối hệ thống hòa lưới điện có dự trữ ............................. 35
Hình 2.11. Mạch bộ biến đổi tăng áp .......................................................... 37
Hình 2.12. Chế độ dẫn liên tục của bộ biến đổi tăng áp ........................................38

Hình 2.13. Chế độ dẫn gián đoạn của bộ biến đổi tăng áp .......................... 38
Hình 2.14. Transitor ở chế độ on ................................................................. 40
Hình 2.15. Transitor ở chế độ off ................................................................ 41
Hình 2.16. Mối tương quan giữa bộ biến đổi tăng áp lý tưởng và hệ số làm

việc .............................................................................................................. 41
Hình 2.17. Bộ biến đổi tăng áp không lý tưởng .....................................................42

Hình 2.18. Bản đồ vận tốc gió theo mùa ..................................................... 45
Hình 2.19. Công suất điện gió trên thế giới trong thời gian 1996 - 2008 ... 47
Hình 2.20. Biểu đồ phân bố gió Việt Nam ở độ cao 80 m .......................... 51
Hình 2.21. Tuabin gió của nhà máy điện gió Tuy Phong, Bình Thuận....... 54
Hình 2.22. Tuabin gió của nhà máy điện gió đảo Phú Quý, Bình Thuận ... 54
Hình 2.23. Tuabin gió của nhà máy điện gió Bạc Liêu ............................... 55
Hình 2.24. Điện gió Phú Lạc, Bình Thuận .................................................. 55
Hình 2.25. Cấu trúc của một tuabin gió ...................................................... 58
Hình 2.26. Kết cấu của một máy phát điện gió ........................................... 60
Hình 2.27. Đường cong hiệu suất rotor ....................................................... 63
Hình 2.28. Đặc tính quan hệ Cp= f(λ) của tuabin gió ................................. 64
Hình 2.29. Đường đặc tính Công suất – Tốc độ góc của Tuabin gió .......... 64
Hình 2.30. Hệ thống phát điện gió sử dụng máy phát SCIG....................... 66
Hình 2.31. Hệ thống phát điện gió sử dụng máy phát WRIG ..................... 67
Hình 2.32. Hệ thống phát điện gió sử dụng máy phát DFIG ...................... 68
Hình 2.33. Tuabin gió tốc độ biến đổi sử dụng bộ bộ biến đổi tần số tỉ lệ
cho nguồn kích từ ........................................................................................ 69
Hình 2.34. Hệ thống phát điện gió sử dụng máy phát điện EESG .............. 71


viii

Hình 2.35. Hệ thống điện gió sử dụng PMSG............................................. 72
Hình 2.36. Hệ thống các loại tuabin gió ...................................................... 73
Hình 2.37. Sơ đồ hệ thống điện gió sử dụng PMSG ................................... 75
Hình 2.38. Chuyển đổi năng lượng gió thành năng lượng điện trong hệ
thống điện gió PMSG .................................................................................. 76

Hình 2.39. Hệ thống nghịch lưu công suất của hệ thống điện gió PMSG .. 76
Hình 2.40. Mặt cắt của PMSG 2 cực ........................................................... 78
Hình 2.41. Sơ đồ mạch tương đương của PMSG trong hệ tọa độ dq.......... 80
Hình 2.42. Cấu hình một pin axít chì (đã nạp đầy) đang xả điện ..........................83
Hình 2.43. Mạch tương đương của pin ..................................................................84
Hình 2.44. Phương trình điện áp nạp và xả ...........................................................85

Hình 2.45. Chu trình nạp của pin axít chì trong chu kỳ sạc sâu .................. 86
Hình 3.1. Sơ đồ hệ thống điện lai năng lượng gió, mặt trời và ắc-quy ....... 89
Hình 3.2. Hệ thống điện lai năng lượng mặt trời và pin nhiên liệu............. 90
Hình 3.3. Sơ đồ hệ thống điện lai pin mặt trời và tuabin gió ...................... 91
Hình 3.4. Mô hình của hệ thống tích trữ năng lượng bằng việc bơm nước
thủy điện ...................................................................................................... 93
Hình 3.5. Mô hình của hệ thống tích trữ năng lượng bằng khí nén ............ 94
Hình 4.1. Sơ đồ khối hệ thống điện lai năng lượng mặt trời và gió ............ 96
Hình 4.2. Sơ đồ mô phỏng hệ thống điện lai năng lượng mặt trời và gió ... 97
Hình 4.3. Sơ đồ mô phỏng hệ thống điện mặt trời ...................................... 97
Hình 4.4. Sơ đồ mô phỏng thay thế cho một tế bào pin quang điện ........... 98
Hình 4.5. Sơ đồ mô phỏng hệ thống điện gió.............................................. 98
Hình 4.6. Mô hình tuabin gió ...................................................................... 99
Hình 4.7. Các đặc tuyến công suất của tuabin gió tương ứng với các tốc độ
gió khác nhau từ 6 (m/s) đến 13,2 (m/s).................................................... 100
Hình 4.8. Tải của hệ thống điện lai năng lượng mặt trời và gió ............... 100
Hình 4.9. Cường độ bức xạ không đổi, G1 = 1000 (W/m2) ....................... 101
Hình 4.10. Cường độ dòng điện của hệ thống PV với cường độ bức xạ


ix

không đổi, G1 = 1000 (W/m2).................................................................... 102

Hình 4.11. Điện áp của hệ thống PV với cường độ bức xạ không đổi,
G1 = 1000 (W/m2) ...................................................................................... 102
Hình 4.12. Tốc độ gió không đổi, v1 = 12 (m/s)........................................ 103
Hình 4.13. Cường độ dòng điện pha A của máy phát điện gió PMSG, ia(A)
với tốc độ gió không đổi, v1 = 12 (m/s) ..................................................... 103
Hình 4.14. Điện áp dây AB của máy phát điện gió PMSG, vab(V) với tốc độ
gió không đổi, v1 = 12 (m/s) ...................................................................... 104
Hình 4.15. Cường độ dòng điện của hệ thống điện lai năng lượng mặt trời
và gió, iabc(A) với cường độ bức xạ không đổi, G1 và tốc độ gió không đổi,
v1 ................................................................................................................ 104
Hình 4.16. Điện áp của hệ thống điện lai năng lượng mặt trời và gió, vabc(A)
với cường độ bức xạ không đổi, G1 và tốc độ gió không đổi, v1 .............. 105
Hình 4.17. Cường độ bức xạ thay đổi, G2 (W/m2) .................................... 106
Hình 4.18. Cường độ dòng điện của hệ thống PV với cường độ bức xạ thay
đổi, G2(W/m2) ............................................................................................ 106
Hình 4.19. Điện áp của hệ thống PV với cường độ bức xạ thay đổi,
G2 (W/m2) .................................................................................................. 107
Hình 4.20. Tốc độ gió không đổi, v2 = 12 (m/s)........................................ 107
Hình 4.21. Cường độ dòng điện pha A của máy phát điện gió PMSG, ia(A)
với tốc độ gió không đổi, v2 = 12 (m/s) ..................................................... 108
Hình 4.22. Điện áp dây AB của máy phát điện gió PMSG, vab(V) với tốc độ
gió không đổi, v2 = 12 (m/s) ...................................................................... 108
Hình 4.23. Cường độ dòng điện của hệ thống điện lai năng lượng mặt trời
và gió, iabc(A) với cường độ bức xạ thay đổi, G2 và tốc độ gió không đổi, v2 .
................................................................................................................... 109
Hình 4.24. Điện áp của hệ thống điện lai năng lượng mặt trời và gió,
vabc(A) với cường độ bức xạ thay đổi, G2 và tốc độ gió không đổi, v2 ..... 109
Hình 4.25. Cường độ bức xạ thay đổi, G3 (W/m2) .................................... 110
Hình 4.26. Cường độ dòng điện của hệ thống PV với cường độ bức xạ thay
đổi, G3(W/m2) ............................................................................................ 111

x

Hình 4.27. Điện áp của hệ thống PV với cường độ bức xạ thay đổi,
G3 (W/m2) .................................................................................................. 111
Hình 4.28. Tốc độ gió thay đổi, v3 (m/s) ................................................... 112
Hình 4.29. Cường độ dòng điện pha A của máy phát điện gió PMSG, ia(A)
với tốc độ gió thay đổi, v3.......................................................................... 112
Hình 4.30. Điện áp dây AB của máy phát điện gió PMSG, vab(V) với tốc độ
gió thay đổi, v3 ........................................................................................... 113
Hình 4.31. Cường độ dòng điện của hệ thống điện lai năng lượng mặt trời
và gió, iabc(A) với cường độ bức xạ thay đổi, G3 và tốc độ gió thay đổi, v3 ...
................................................................................................................... 113
Hình 4.32. Điện áp của hệ thống điện lai năng lượng mặt trời và gió, vabc(A)
với cường độ bức xạ thay đổi, G3 và tốc độ gió thay đổi, v3..................... 114


vi

DANH SÁCH BẢNG
Bảng 2.1. Hiệu suất các loại vật liệu pin mặt trời ....................................... 26


1

Chương 1
Giới thiệu chung
1.1. Giới thiệu
Điện năng đóng vai trò thiết yếu cho sự tồn tại và phát triển của xã hội,

là huyết mạch của nền kinh tế của một quốc gia. Hiện nay, phần lớn năng
lượng điện được sản xuất từ các năng lượng hóa thạch (than đá, dầu mỏ, khí
đốt,..) mà không được xem là nguồn năng lượng tái tạo. Trước tình trạng nguồn
năng lượng này đang dần cạn kiệt trong với tốc độ nhanh cũng như các vấn đề
khác liên quan đến ô nhiễm môi trường làm ảnh hưởng đến điều kiện sống như
khí thải gây hiệu ứng nhà kính, trái đất nóng dần lên, nước biển dâng cao, khói
bụi và mưa axít xảy ra nhiều nơi trên thế giới. Vì vậy, việc nghiên cứu và tìm
ra các nguồn năng lượng thay thế cho nguồn năng lượng hóa thạch đang trở
nên cấp thiết cho mỗi quốc gia. Nguồn năng lượng đang được đánh giá là nhiều
tiềm năng và đáp ứng các vấn đề cấp thiết cho ngành năng lượng điện chính là
các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng
lượng thủy triều, năng lượng sóng biển, . . .
Tuy nhiên, do đặc thù riêng của ngành năng lượng tái tạo, chi phí đầu tư
cho các công nghệ năng lượng mặt trời, năng lượng gió,... vẫn còn khá cao;
phương thức khai thác cho từng nguồn năng lượng này cũng khác nhau. Điều
này dẫn đến các hạn chế về hiệu quả khai thác các nguồn năng lượng tái tạo
nếu các nguồn này được khai thác và sử dụng độc lập. Việc ghép nối và phối
hợp khai thác các nguồn năng lượng tái tạo là xu hướng phát triển của ngành
năng lượng điện.
Đây chính là lý do đề tài, “Nghiên cứu hệ thống điện lai năng lượng
gió và mặt trời nối lưới” được lựa chọn và thực hiện trong luận văn này. Kết
quả của nghiên cứu này là phù hợp cho nhu cầu cung cấp năng lượng điện đáp
ứng sự phát triển kinh tế - xã hội của một quốc gia, giảm thiểu các áp lực cho
các nguồn năng lượng điện truyền thống, giảm thiểu các vấn đề liên quan đến ô
nhiễm môi trường,...


2

1.2. Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu

Các tác giả Lại Khắc Lãi, Vũ Nguyên Hải và Trần Gia Khánh với công
trình nghiên cứu, “Điều khiển hệ thống lai năng lượng gió và mặt trời trong
lưới điện thông minh” đã giới thiệu việc xây dựng mô hình và điều khiển hệ
thống điện lai năng lượng gió và mặt trời [1]. Sơ đồ khối hệ thống điện lai năng
lượng gió và mặt trời được biểu diễn như Hình 1.1.

Hình 1.1. Sơ đồ khối hệ thống điện lai năng lượng gió và mặt trời
Hệ thống điện năng lượng mặt trời trong nghiên cứu này bao gồm các
module pin quang điện (PV) phát ra điện năng một chiều với công suất phụ
thuộc vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ môi trường. Trong nghiên cứu này, các
tác giả đã sử dụng khối dò tìm điểm công suất cực đại với giải thuật tìm điểm
công suất cực đại, InC mà phụ thuộc vào điều kiện bức xạ mặt trời và nhiệt độ
môi trường. Dòng điện một chiều tương ứng với điểm công suất cực đại được
đưa qua bộ chuyển đổi DC/DC để điều chỉnh điện điện áp. Sau đó, năng lượng
điện được tạo ra từ năng lượng mặt trời được hòa với năng lượng điện được tạo
ra từ năng lượng gió tại thanh cái một chiều. Trong khi đó, hệ thống điện gió sử
dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu chuyển đổi cơ năng từ tuabin
gió thành năng lượng điện. Điện áp xoay chiều được đưa qua bộ chỉnh lưu có
điều khiển để điều khiển hòa với điện áp một chiều của pin quang điện. Trong
hệ thống điện gió và mặt trời này, năng lượng từ các nguồn năng lượng khác
nhau được hòa vào nhau dưới dạng năng lượng một chiều mà có thể được sử
dụng trực tiếp cho tải một chiều hoặc đưa qua bộ biến đổi DC/AC chuyển đổi
thành năng lượng điện xoay chiều mà có thể được sử dụng trực tiếp cho tải
xoay chiều hoặc kết nối với lưới điện.


3

Các kết quả mô phỏng cho thấy công suất và dòng điện ngõ ra của pin
quang điện phụ thuộc nhiều vào điều kiện bức xạ mặt trời và nhiệt độ pin

quang điện. Trong khi đó, điện áp của pin quang điện ít phụ thuộc vào bức xạ
mặt trời mà phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ của pin quang điện. Khi nhiệt độ của
pin quang điện tăng thì công suất ngõ ra tối đa của pin quang điện sẽ giảm,
trong khi đó cường độ dòng điện ngắn mạch sẽ tăng.
Bên cạnh đó, các kết quả mô phỏng cũng cho thấy rằng công suất ngõ ra
của hệ thống điện gió phụ thuộc nhiều vào tốc độ gió và tốc độ của máy phát
điện. Trong đó, tốc độ là nhân tố chính ảnh hưởng quyết định đến công suất
của hệ thống điện gió.
Với các đánh giá trên, rõ ràng rằng để hệ thống tích hợp năng lượng điện
gió và mặt trời làm việc ổn định và hiệu quả thì các hệ thống điều khiển cần
linh hoạt và giảm thiểu đến mức thấp nhất các tác động của các yếu tố ngẫu
nhiên như bức xạ mặt trời, tốc độ gió, ...
Tác giả Hoàng Trí với công trình nghiên cứu, "Thiết kế và chế tạo mô
hình thiết bị hệ thống kết hợp sử dụng năng lượng mặt trời và gió để sản xuất
điện" đã giới thiệu một hệ thống điện kết hợp hệ thống pin quang điện, tuabin
gió và pin lưu trữ dự phòng được tích hợp và tối ưu hóa hệ thống như một
nguồn thay thế quy mô nhỏ của năng lượng điện ở các địa phương không có
lưới điện quốc gia hoặc các vùng xa xôi hải đảo [2].

a)


4

b)
Hình 1.2. Sơ đồ khối hệ thống điện kết hợp gió và mặt trời

Hình 1.3. Mô hình hệ thống điện kết hợp gió và mặt trời

5

Sơ đồ khối hệ thống điện kết hợp gió và mặt trời được biểu diễn như
Hình 1.2. Mô hình hệ thống điện kết hợp gió và mặt trời theo thiết kế được biểu
diễn như Hình 1.3.
Kết cấu sơ bộ của hệ thống bao gồm:
+ Đế: chịu tải trọng và liên kết các bộ phận khác trong hệ thống gồm
tuabin gió, các tấm pin quang điện, bộ sạc, ắc quy và các thành phần khác.
+ Tuabin gió: có 3 cánh với đường kính quay là 2 m và được liên kết với
máy phát điện qua bộ truyền đai.
+ Khung đỡ pin quang điện: gồm 2 khung gắn vào trụ có tác dụng đỡ 2
tấm pin quang điện.
+ Hộp đựng: chứa các phần khác của hệ thống như bộ sạc, bộ chuyển
đổi,...
Các tác giả N. M. Al-enezi and S. H. Abuarafah với công trình nghiên
cứu, "Hybrid solar wind diesel power generation system" đã giới thiệu một
biến thể của một hệ thống điện kết hợp gió và mặt trời với dòng phân bố công
suất được giám sát và điều khiển bởi các vi điều khiển và trạm giám sát không
dây [3]. Bên cạnh pin quang điện và các tuabin gió, một máy phát điện diesel
dự phòng cũng được sử dụng trong trường hợp thiếu hụt nguồn cung cấp cho
nhu cầu phụ tải. Có hai đặc điểm nổi bật của hệ thống điện kết hợp gió và mặt
trời được giới thiệu so với các hệ thống điện kết hợp khác đang tồn tại mà bao
gồm:
+ Năng lượng điện của hệ thống giới thiệu được sử dụng rộng rãi và
hiệu quả bằng việc giám sát nhu cầu tải và khả năng nguồn năng lượng tái tạo
để trên cơ sở đó xác định lượng công suất và loại nguồn năng lượng tái tạo phù
hợp.
+ Nguồn ắc-quy dự phòng được sử dụng như là một nguồn dự trữ cho hệ
thống mà có thể được sử dụng trong trường hợp các nguồn năng lượng tái tạo
không thể phát điện, đồng thời cũng để cực tiểu việc phát điện từ các nguồn

phát diesel.
Trong nghiên cứu này, các hệ thống điện kết hợp gió, mặt trời và diesel
lần lượt được giới thiệu.


6

Sơ đồ hệ thống điện kết hợp, Hình 1.4 giới thiệu một hệ thống điện mà
ắc-quy được nạp điện trực tiếp từ pin quang điện và tuabin gió, trong đó mỗi hệ
thống có một bộ điều khiển nạp riêng. Tải nhận công suất được yêu cầu từ tất
cả các nguồn năng lượng tái tạo thông qua bộ chuyển đổi công suất DC/AC.
Hình 1.5 là một hệ thống điện kết hợp gió và mặt trời mà tương tự hệ
thống điện kết hợp Hình 1.4. Tuy nhiên, hệ thống được giới thiệu này không có
hệ thống nguồn dự phòng.
Hình 1.6 là một hệ thống điện kết hợp gió và mặt trời khác mà chỉ sử
dụng một bộ điều khiển sạc để điều chỉnh phân bố công suất cho các nguồn
năng lượng tái tạo gió và pin quang điện, ắc-quy và phụ tải. Trong sơ đồ này,
phụ tải được nối gián tiếp với ắc-quy thông qua bộ điều khiển sạc. Các tác giả
đã chọn sơ đồ hệ thống điện Hình 1.6 phục vụ cho việc nghiên cứu. Thêm vào
đó, các tác giả đã đề xuất sử dụng thêm một nguồn phát điện diesel để hỗ trợ
việc cung cấp năng lượng điện cho phụ tải.
Hệ thống điện kết hợp được khảo sát trong nghiên cứu này, Hình 1.7
bao gồm:
+ Các nguồn năng lượng bao gồm: tuabin gió, module pin quang điện,
máy phát điện deisel;
+ Các phụ tải bao gồm: tải DC, tải AC
+ Các thiết bị lưu trữ: ắc-quy
+ Các bộ vi điều khiển
+ Các thiết bị giao tiếp
+ Các cảm biến bao gồm: các cảm biến điện áp, các cảm biến cường độ

dòng điện, các cảm biến nhiên liệu, các cảm biến tốc độ và hướng gió, các cảm
biến cường độ ánh sáng.
Hình 1.8 biểu diễn sự kết nối giữa các thành phần cơ bản trong hệ thống
điện kết hợp gió và mặt trời.


7

Hình 1.4. Hệ thống điện kết hợp với hệ thống nguồn dự phòng

Hình 1.5. Hệ thống điện kết hợp không có hệ thống nguồn dự phòng

Hình 1.6. Hệ thống điện kết hợp cung cấp nguồn gián tiếp đến phụ tải thông
qua bộ điều khiển


8

Hình 1.7. Các thành phần cơ bản của hệ thống điện kết hợp gió và mặt trời

Hình 1.8. Kết nối giữa các thành phần trong hệ thống điện kết hợp gió và mặt
trời
A. V. P. Kumar, v.v... với công trình nghiên cứu, “Implementation of
MPPT control using fuzzy logic in solar-wind hybrid power system” đã giới
thiệu các bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại cho hệ thống điện kết hợp