Điều khiển công suất trong lưới điện thông minh

ĐẠI HỌC QUỔC GIA TP. HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA


CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BACH KHOA -ĐHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học 1: TS. Huỳnh Quang Minh
Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. Nguyễn Phúc Khải Cán bộ
chấm nhận xét 2: PGS. TS. Trưcmg Việt Anh

TẠ HOÀNG ĐĂNG KHOA
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày 05 tháng 01 năm 2019

ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

TRONG LƯỚI ĐIỆN THÔNG MINH

1. Chủ tịch: PGS. TS. PHAN THỊ THANH BÌNH
2. Phản biện 1: TS. NGUYỄN PHỦC KHẢI
3. Phản biện 1: PGS.
TS. TRƯONG
VIỆT
ANH
Chuyên
ngành : Kỹ
thuật

điện
4. ủy viên: PGS. TS.Mã
vũsố:
PHAN
TỦ
60520202
5. Thư ký: TS. NGUYỄN NGỌC PHỦC DIỄM

LUẬN VĂN THẠC SĨ
••

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa.
CHỦ TỊCH HỘI ĐÒNG

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2019


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

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

NHIÊM VU LUÂN VĂN THAC sĩ
••••

Họ tên học viên: TẠ HOÀNG ĐĂNG KHOA............................MSHV: 1570389.......

Ngày, tháng, năm sinh: 13/06/1991 ............................................Nơi sinh: Tiền Giang
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện......................................................Mã số : 60 52 02 02
I. TÊN ĐỀ TÀI: Điều khiển công suất trong lưới điện thông minh..................................
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG
- Khảo sát mô hình gió và mặt trời
- Các giải thuật MPPT
- Khảo sát chế độ vận hành độc lập và nối lưới
III. NGÀY GIAO NHIỆM vụ : 20/8/2018...........................................................................
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 05/01/2019........................................................
V. CÁN Bộ HƯỚNG DẪN : TS. Huỳnh Quang Minh..................................................
Tp. HCM, ngày . . . . tháng . . . . năm 20....
CÁN Bộ HƯỞNG DẪN

(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM Bộ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA.........

(Họ tên và chữ ký)


LỜI CẢM ƠN

Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Huỳnh Quang Minh, người đã
hết lòng giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi hoàn thành đề tài này.
Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến toàn thể quý Thầy Cô trong bộ môn khoa
Điện-Điện Tử Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM đã tận tình truyền đạt những kiến

thức quý báu cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá trình
học tập nghiên cứu và cho đến khi tôi thực hiện đề tài này.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 04 tháng 12 năm 2018.

Học viên

IV


TÓM TẮT LUÂN VĂN THAC SỸ
••

Trong vài thập kỷ qua, tiêu thụ năng lượng toàn cầu đã tăng trưởng đều đặn và dự
kiến sẽ tiếp tục tăng trưởng trong tương lai gần. Vói mức tiêu thụ năng lượng ngày
càng tăng, khí thải nhà kính cũng tăng. Đe cung cấp khả năng tiếp cận năng lượng với
giá phải chăng cho các vùng miền, đất nước và chống biến đổi khí hậu, các giải pháp
năng lượng bền vững là rất cần thiết. Trong đó năng lượng mặt trời và năng lượng gió
là 2 ứng cử viên tiềm năng cho cuộc cách mạng này. Tuy nhiên, với tính chất không
ổn định của các nguồn năng lượng tái tạo này, có thể thay đổi theo mùa, theo tháng,
theo ngày, theo vùng miền, ... làm cho khả năng thâm nhập của các nguồn năng lượng
này còn khó khăn. Một lưới điện nhỏ vói nguồn năng lượng tái tạo và một ngân hàng
lưu trữ acquy có thể vận hành độc lập hoặc hòa lưới điện là một mô hĩnh lý tưởng cho
việc phát triển các nguồn năng lượng tái tạo. Việc điều khiển lưới điện với các nguồn
năng lượng không ổn định, nguồn lưu trữ có giới hạn nạp/ xả và một lưới điện với các
yêu cầu khắt khe về chất lượng điện năng khi hòa lưới là một trong những vấn đề gây
khó khăn cho việc phát triển Microgrid.
Trên những cơ sở đó, Luận văn sẽ nghiên cứu 2 vấn đề: điều khiển để đạt được công
suất tối đa từ các nguồn năng lượng tái tạo và sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo
này trong mạng microgrid có thể vận hành 2 chế độ hòa lưới và cục bộ.
Trên cơ sở các nội dung nghiên cứu được đặt ra, luận văn được chia thành 6 chương:

Chương 1: Giới thiệu hướng tiếp cận và phương pháp nghiên cứu của luận văn
Chương 2: Trình bày về năng lượng mặt trời, năng lượng gió và tích trữ năng lượng.
Chương 3: Trình bày tống quan về mạng Microgrid
Chương 4: Các vấn đề nghiên cứu phía DC bao gồm MPPT và phía AC điều khiển
PQ được đề cập đến.
Chương 5: Trình bày mô hĩnh mô phỏng và kết quả
Chương 6: Đưa ra kết luận và hướng phát triển của đề tài.

V


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ với đề tài “Điều khiển công suất trong lưới điện
thông minh” là công trình nghiên cứu của chính bản thân tôi, duói sự huớng dẫn của
Tiến Sĩ. Huỳnh Quang Minh, các số liệu và kết quả thực nghiệm hoàn toàn trung
thực. Tôi cam đoan không sao chép bất kỳ công trình khoa học nào của nguời khác,
mọi sự tham khảo đều có trích dẫn rõ ràng.
Học viên cao học

VI


MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN iv
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ.............................................................................V
LỜI CAM ĐOAN........................................................................................................vi
MỤC LỤC vii
DANH MỤC HÌNH MINH HỌA................................................................................ix

CHƯƠNG 1:

MỞ ĐẦU........................................................................................... 1

1.1.

LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI..................................................................................1

1.2.

MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI..............................................................................2

1.3.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN cứu VÀ NỘI DUNG NGHIÊN cứu..................4
CHƯƠNG 2:
NGUỒN PHÁT ĐIỆN PHÂN TÁN VÀ HỆ THỐNG TRÍCH TRỮ
NĂNG LƯỢNG 5
2.1.

TÔNG QUANG VỀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO...........................................5

2.2.1.

Năng lượng gió:.....................................................................................5

2.2.2.

Năng lượng mặt trời:...........................................................................14

2.2.

TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG.........................................................................19

CHƯƠNG 3:

MICROGRID..................................................................................25

3.1.

TÔNG QUAN................................................................................................25

3.2.

ĐIỀU KHIÊN MICROGRID........................................................................ 26

3.2.1.

Hierarchical Control of Microgrids:....................................................26

3.2.2.

Hybrid ESS Management:...................................................................29

3.2.3.

Economic Dispatch:............................................................................31

3.2.4.

Power Quality:.....................................................................................32

CHƯƠNG 4:
4.1.

CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN cứu TRONG ĐỀ TÀI..............................34

TỒNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN cứu................................................34

4.1.1.

Tổng quan............................................................................................34

4.1.2.

Các vấn đề nghiên cứu........................................................................34

4.2.

ĐIỀU KHIÊN BẮT DIÊM CÔNG SUẤT cực ĐẠI (MPPT):...................... 36

4.2.1.

MPPT trong điều khiển điện gió.........................................................36

4.2.2.

MPPT trong điều khiển điện mặt trời..................................................43

4.3.

ĐIỀU KHIÊN TRONG MICROGRID:.........................................................50

vii


CHƯƠNG 5: XÂY DỤNG Lưu ĐỒ MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ...........................57
5.1................................................................................................................................. GI
ẢI THUẬT MPPT CHO NGUỒN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO:............................57
5.1.1.......................................................................................................................... M
PPT trong điều khiển điện gió:...........................................................................57
5.1.2.......................................................................................................................... M
PP T trong điều khiển điện mặt trời:...................................................................58
5.2.

ĐIỀU KHIÊN MICROGRID:.......................................................................62

CHƯƠNG 6:
6.1.

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI.........................78

KẾT LUẬN...................................................................................................78

viii


DANH MUC HĨNH MINH HOA
••

Hình 1.1.

Mạng Microgrid hạ thế điển hình.......................................................2

Hình 1.2.

AC Microgrid......................................................................................3

Hình 2.1.

Cấu hình hệ thống chuyển đổi năng lượng gió hòa lưới.....................6

Hình 2.2.

Đặt tuyến P-v của turbine gió.............................................................7

Hình 2.3.

Góc cánh turbine.................................................................................9

Hình 2.4.

Cp - X Curve example.......................................................................11

Hình 2.5.

Sự phát triển turbine gió về kích thướt và công suất........................12

Hình 2.6.

Cấu hình hệ thống điện mặt trời độc lập...........................................14

Hình 2.7.

Các loại pin mặt trời.........................................................................15

Hình 2.8.

Đặt tuyến p-v, I-V.............................................................................16

Hình 2.9.

Sơ đồ tương đương chính xác tấm pin mặt trời................................16

Hình 2.10.

Ảnh hưởng bức xạ lên đặt tuyến tấm pin mặt trời............................18

Hình 2.11.
Hình 2.12.
dimension [9]

Ảnh hưởng nhiệt độ lên đặt tuyến tấm pin mặt trời..........................19
New Electricity value chain with energy storage as the sixth
20

Hình 2.13. Fields of application of the different storage techniques according to stored
energy and power output [9]............................................................................21
Hình 2.14. ESS and Power Grid.................................................................................22
Hình 3.1. A typical microgrid struture including load and DER units serviced by a
distribution system [10]...................................................................................25

Hình 3.2.

Hierarchical control levels of a microgrid [11].................................27

Hình 3.3.

P-Q Circle and Q-E droop control [12]............................................29

Hình 3.4.

HEES proposed in [13].....................................................................30

Hình 3.5.

Example of market price of electricity over T = 24h [14]................32

Hình 4.1.

Sơ đồ khối mạng microgrid sử dụng trong đề tài.............................34

Hình 4.2.

Hệ thống turbine gió PMSG truyền động trực tiếp...........................36

Hình 4.3.

TSR - Wind speed.............................................................................37

Hình 4.4.

Đặc tính công suất và moment của turbine gió.................................39

Hình 4.5.

M-P&o in Wind Energy....................................................................43

Hình 4.6.

P&OinPV..........................................................................................45

Hình 4.7.

p&o Flow Chart................................................................................46

IX


MODIFIED p&o MPPT FOR PV......................................

49

Sơ đồ khối điều khiển trong mạng Microgrid....................

50

Mô phỏng MPPT trong hệ thống điện gió.........................

57

So sánh công suất cơ thu được...........................................

58

So sánh công suất cơ thu được...........................................

59

So sánh công suất trong giải thuật MPPT p&o PV............

60

So sánh các đáp ứng Duty cycle........................................

61

Các sơ đồ mô phỏng hệ thống Microgrid...........................

64

Bộ điều khiển p&o và chia tải cho các inverter.................

65

Vận hành Islaned AC microgrid........................................

66

Đáp ứng điện áp, tần số trong Islanding............................

68

Đáp ứng p, Q trong Islanding.............................................

69

Đáp ứng công suất khi tải thay đổi....................................

71

Đáp ứng công suất khi nguồn RES tăng............................

71

Các bộ điều khiển tracking chuyển chế độ vận hành [34]

73

Qúa trình chuyển chế độ từ hòa lưới sang cục bộ..............

74

Qúa trình chuyển chế độ từ cục bộ sang hòa lưới..............

75

Mô phỏng Chuyển chế độ vận hành...................................

77

X

CHƯƠNG 1:

1.1.

MỞ ĐẦU

LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Sự thâm nhập ngày càng tăng của các nguồn năng lượng tái tạo vào lưới điện đóng góp
lợi ích đáng kể cho phát triển kinh tế, sử dụng năng lượng bền vững cũng như giảm thiểu
các tác động đến môi trường từ các nguồn năng lượng truyền thống. Tuy nhiên, xu hướng
gia tăng thâm nhập của năng lượng tái tạo dấy lên lo ngại về sự ổn định, độ tin cậy và an
ninh của lưới điện tương lai. Rõ ràng nhất là bản chất không liên tục của các nguồn năng
lượng tái tạo như năng lượng gió, năng lượng mặt trời. Hơn nữa, vị trí đặt các “máy phát
năng lượng tái tạo” phụ thuộc nhiều vào khí hậu và địa lý, làm cho khoảng cách giữa
nguồn phát và tải ra xa nhau. Những nhân tố này làm cho việc phân tích, đánh giá lưới
điện trong trạng thái xác lập và quá độ trở nên khó hon, tạo ra những thách thức trong
việc tích hợp hiệu quả các nguồn năng lượng tái tạo vào mạng điện truyền thống.
Trong bối cảnh này, sự ra đời của Microgrid từ phía phân phối, một hệ thống con tích
cực của lưới điện hiện đại, đã thể hiện nhiều tiềm năng đầy hứa hẹn để thực hiện sản xuất
năng lượng sạch liên tục, lưu trữ năng lượng và sự phát triển của các trạm xe điện trong
tưong lai. Một mạng microgrid hạ thế điển hĩnh được chỉ ra ở hình 1.1.

1


Power ----------c ommunication
Hình 2.2.

Mạng Microgrid hạ thế điển hình

Tuy nhiên, với lưới điện truyền thống, lưới phân phối được xem như phụ tải tiêu thụ, việc
đưa vào các nguồn phát điện phân tán trong mạng microgrid đòi hỏi một hệ thống điều
khiển và giám sát thông minh để đảm bảo các yêu cầu của lưới điện và sự vận hành hiệu
quả của microgrid. Một sổ vấn đề điều khiển công suất trong mạng microgrid được
nghiên cứu trong đề tài này.
1.2.

MỤC TIÊU CỦA ĐÈ TÀI

Microgrid bao gồm 2 cấu true chính là DC microgrid và AC microgrid. Hai cấu trúc này
về cơ bản giống nhau đều phải bao gồm các nguồn năng lượng phân tán, hệ thống tích trữ
năng lượng nhưng khác nhau ở điểm ghép chung PCC có điện áp là DC bus hay AC bus.

2


Utility Grid

Hình 1.2, AC Microgrid
Một sơ đồ khối đon giản của AC Microgrid được vẽ ra ở hình 1.2, so với lưới diện truyền
thống, sự xuất hiện của DGs (nguồn phát phân tán) và ESS (Hệ thống lưu trữ năng
lượng) là một sự khác biệt lớn. DG và ESS được giao tiếp với nhau thông qua các bộ
biến đổi công suất điều khiển phân tán (Distributed Control). DG có thể là nguồn năng
lượng táỉ tạo như nằng lượng gió, năng lượng mặt ười, và luôn mong muốn thu được
công suất tối đa (MPPT) truyền vào lưới điện. ESS được xem như một nguồn 2 chiều có
thể điều khiển được thông qua các bộ biến đổi công suất để đối phó phần nào với tính
chất không liên tục của các nguồn DG. Dòng công suất truyền trên AC bus sẽ được điều

khiển sao cho năng lượng được sử dụng hiệu quả, liên tục và tin cậy.
Vởi cấu hình AC Microgrid, đề tài sẽ thực hiện các giải pháp điều khiển nguồn DG từ
năng lượng giố và mặt trời để thu được năng lượng cực đại cung cấp cho tảỉ, đồng thời sử
dụng hệ thống acquy lưu trữ và khảo sát hệ thống vận hành trong các chế độ độc lập và
hòa lưới.

3


1.3.

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN cứu VÀ NỘI DUNG NGHIÊN cứu

Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết, đề xuất giải thuật và kiểm chứng bằng
mô phỏng.
Nội dung nghiên cứu:
-

Nguyên cứu lý thuyết: Năng lượng mặt trời, năng lượng gió và các giải thuật
MPPT, Micogrid và các vấn đề điều khiển trong Microgrid.

-

Mô phỏng: sử dụng phần mềm Matlab xây dụng giải thuật và kiểm chứng hiệu quả
của giải thuật.

4


CHƯƠNG 2:

NGUỒN PHÁT ĐIÊN PHÂN TÁN VÀ

HÊ THỐNG TRÍCH TRỮ NĂNG LƯƠNG
••

2.1. TỔNG QUANG VỀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO
2.2.1.

Năng lượng gió:

Năng lượng gió được xem như một nguồn năng lượng thân thiện với môi trường, khả thi
và kinh tế là dạng năng lượng tiềm năng để giải quyết cuộc khủng hoảng năng lượng mà
chúng ta đang phải đối mặt. Chuyển đổi năng lượng gió là một quá trình phức tạp. Các
cánh của turbine gió nhận năng lượng từ sự chuyển động của dòng khí quyển, sau đó
chuyển thành năng lượng quay của rotor máy phát điện thông qua cơ cấu cơ khí bao gồm
ổ trục, khớp trục, hộp số để chuyển thành năng lượng điện. Năng lượng điện từ máy phát
được đưa qua các hệ thống chuyển đổi công suất bao gồm các bộ nghịch lưu, chỉnh lưu,
bảo vệ quá dòng, quá áp... cần thiết cho thiết bị sử dụng hoặc các phương tiện lưu trữ hay
hòa lưới. Thành phần chính của một hệ thống chuyển đổi năng lượng gió cơ bản bao
gồm: một turbine gió, một máy phát điện, các bộ phận kết nối và điều khiển hệ thống
(hình 2.1).
Để nghiên cứu hiệu suất chuyển đổi năng lượng trong hệ thống chuyển đổi năng lượng
gió, đầu tiên ta phải xác định năng lượng có sẳn tích trữ trong gió. Thực tế, năng lượng
gió có thể được coi là động năng của một số lượng lớn hạt không khí với tổng khối
lượng m (kg), di chuyển vói một tốc độ gió vw (m/s). Giả sử rằng tất cả các hạt không khí
di chuyển với cùng tốc độ và hướng đến chạm vào cánh của trubine.

5

Trang đó p (kg/m3) là mật độ không khí, A (m2) là diện tích mà khấi không khí quểt qua
turbine giố, R (m) là bắn kính của cắnh turbine. Thế (2.2) vào (2.1) ta đuợc công thúc
tính động năng của khối khí:
1

,

E = — .p.7T.R.vl

(2.3)

2

Từ (2.3) ta cố thể tính công suất của gió truyền tới turbine:
Kind =7

=2

E 1 2 3 (2.4)
PnR v

"

Trong đó pwind là công suất tích trữ trong gió. Từ công thức (2.4) có thể nhận thấy rằng
công suất gió tỉ lệ thuận vối lập phương của vận tốc gió, có nghĩa là chỉ cần một sự gia
tăng nhò của tốc độ gió cũng dẫn đến sự gia tăng lớn ở công suất gió. Đồ tin hiểu diễn
quan hệ giữa Pwiad - Vwind được minh họa như hình 2.2.

Hình 2.1. Cấu hình hệ thống chuyển đổi năng lượng gió hòa lưới Năng lượng tích trữ
cố sẳn trong gió dưới dạng động năng E được tính bed công thức
sau:
-I 2
E

(2.1)

M

=ị K

Khối lượng của khối không khí chuyển động trong khoảng thời gian t được tính như sau:
Hình 2.2. Đặt tuyến p-v cửa turbine gió Mặc khác, ta cố thể tăng công
2
(2.2)
suất gió lên bằng
m cách
- p.A.v
tângwkích
í —thước
p.7ĩ.R
cánh.vquạt
w.t rotor
của turbine gỉố. Đây chính là lý do càng ngày có càng nhiều turbine lớn với công suất
đến 10MW được nghiên cứu và thực hiện.
76


Tuy nhiên, công thức biểu diễn ở (2.4) chỉ đạt được công suất lớn nhất khi khối khí chãy

qua toàn bộ diện tích của turbine với bán kính R. Thực tế, chỉ có một phần công suất này
được thu bởi turbine gió. Năm 1919 nhà khoa học người Đức Albert Betz mô tả chuyển
động của các khối khí khi qua turbine, theo ý tưởng của Betz thì sau khi tác động vào
các cánh quạt, vận tốc gió sẽ giảm, có nghĩa là khi qua turbine, vẫn còn động năng trong
các hạt của khối khí.
Mối liên hệ giữa năng lượng thu được bởi turbine gió và năng lượng của gió được biểu
diễn bỏi hệ số Cp gọi là hệ số công suất [2]:
p

(2.5)

__ Turbine
p

~ P.7

wind

Hệ số Cp được tính theo biểu thức (2.6) [2]:

= c1.(c2.A-c3./?-c4.c/?JC-c5).e

Có A

'

(2.6)

Trong đó:
A=

0.035

1

/1 + 0.08/?

(2.7)

1 + /?3

Và
Ă=

(O.R

(2.8)

Vw

Trong đó p là góc cánh của turbine được minh họa ở hình 2.5 và Ằ là tỉ số tốc độ đầu
cánh (TSR) của turbine, với 0)m là tốc độ góc của rotor máy phát và các giá trị C]-C là hệ
6

số phụ thuộc vào kiểu turbine.

8


Hình 2.3. Góc cánh turbine

Từ hình 2.3 đã chỉ ra hướng gió tác động tới turine như thế nào thông qua góc cánh
turbine ảnh hưởng đến lực nâng và lực kéo turbine. Góc cánh p được định nghĩa là góc
giữa hướng của cánh với hướng của gió đến cánh turbine. Khi p = 0, cánh sẽ bị ảnh hưởng
hoàn toàn bỏi vận tốc gió và turbine sẽ bắt được công suất tối đa trong gió. Khi tốc độ gió
thấp hơn tốc độ đạt được công suất cực đại, góc cánh p thường được điều khiển với giá trị
0. Khi tốc độ gió lớn hơn tốc độ cho phép, công suất thu được lớn hơn giá trị định mức,
nếu tiếp tục di trì ở góc 0, thì công suất đầu ra và công suất trên các thiết bị điện tử công
suất sẽ vượt quá giá trị định mức và gây ảnh hưởng đến hệ thống. Dựa trên khái niệm này,
một hệ thống điều khiển góc cánh p là cần thiết cho hệ thống turbine gió.
Ngoài sự ảnh hưởng của góc cánh p, hiệu suất vận hành của turbine còn chịu tác động của
số lượng cánh quạt của turbine. Turbine một cánh yêu cầu một tốc độ gió cao hơn để đạt
được hệ số công suất tối đa. Giá trị Cp tăng khoảng 10% từ 1 cánh lên 2 cánh, thêm 4% từ
2 cánh lên 3 cánh và thêm 2% từ 3 cánh lên 4 cánh [3]. Nếu số lượng cánh

9


quạt turbine tăng lên thì hệ số công suất sẽ tăng lên và bài toán đặt ra là cân bằng giữa
kinh tế và công suất thu được, bởi vĩ tăng số lượng cánh đồng nghĩa tăng kích thướt và
chi phí của hệ thống. Với sự lựa chọn 3 cánh là tốt nhất cho bài toán này, đạt được sự cân
bằng giữa ứng suất cơ, tiếng ồn, chi phí và tốc độ quay của turbine [3].
Một đại lượng quan trọng khác là tỉ số tốc độ đầu cánh X ảnh hưởng lớn đến quá trình
trích xuất công suất cực đại từ gió. Nếu rotor quay quá chậm thì hầu hết dòng không khí
đi qua khoảng giữa các cánh quạt mà không truyền bất kỳ năng lượng nào cho cánh quạt,
ngược lại nếu turbine quay quá nhanh thì các cánh quạt của turbine quay tạo nên như một
bức tường vũng chắc làm tản đi dòng không khí chạy tới. Do đó, turbine gió được điều
khiển sao cho tỉ lệ X tối ưu sao cho thu được càng nhiều năng lượng từ gió càng tốt.
Từ đây ta có thể viết lại công thức liên hệ giữa công suất thu được ở turbine gió so với
các đại lượng khác như sau:
1

^Turbine

^Ọ7ĩR2Cp{Ằ,P)vl

(2.9)

Từ biểu thức (2.6) ta nhận thấy rằng Cp (X, P) là một hàm rất phi tuyến theo X và p.
Thông thường, góc cánh p được cố định trong trục của turbine, nên trong trường hợp này
góc cánh p xem như không đổi. Ta có thể mô tả ảnh hưởng của tốc độ đầu cánh X đối với
hệ số Cp như hĩnh 2.4. Dựa vào mối quan hệ này, các giải thuật MPPT được phát triển để
đạt được hệ số Cp tối ưu, tức là thu được công suất tối đa từ năng lượng gió có san.

10


Representative Cp - X curve

Hình 2,4.

C p - Ấ Curve example

Các hệ thống điện gió luôn hướng đến mục tiêu càng ngày giảm thiểu chi phí năng lượng
cung cấp cho hệ thống điện. Điều này ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, trong đó phải kể đến cấu
trúc turbine, kỹ thuật áp dụng trong turbine và hệ thống máy phát,... Một vài yếu tố ảnh
hưởng đến việc lựa chọn quyết định trong việc xây dựng hệ thống điện gió:
Chi phí sản xuất, vận chuyển, lắp đặt là rát quan trọng vì sẽ liên quan đến việc đàu tư ban
đầu, tuy nhiên chưa phải là quyết định, bồi vì phải tính tới chỉ phía vận hành như sửa chữa
và bảo trì. Một hệ thống với chi phí đầu tư ban đầu cao, tuy nhiên vận hành ẩn định và ít bảo
trì đôi khỉ lại mang lại hiệu quả kình tế cao hơn.

Lựa chọn máy phát, bời vì giá đầu tư cho mảy phảt cỗ thể thay đổi theo thời gian, ví dụ như
hệ thống máy phát sử dụng nam châm vĩnh cữu (PM) thì vật liệu này cố thể thay đồi theo
thời gian.
Vị trí lắp đặt turbine cũng rất quan trọng, bởi vì tổng năng lượng thu được theo thời gian sẽ
phụ thuộc vào tốc độ gỉố tại nơi đặt turbine.
11


Hiệu suất của hệ thống là quan trọng, nhưng chưa phải là yếu tố quyết định, bỏi vì nếu
lựa chọn một hệ thống có hiệu suất thấp hơn, tuy nhiên nếu có chi phí năng lượng thấp
hơn thi nên được lựa chọn.

Hình 2.5.
Sự phát triển turbine gió về kích thướt và công suất
Ngoài việc hoàn thành các tiêu chí cơ bản trên, các nhà máy điện gió phải đáp ứng một
số yêu cầu khác:
Grid connection: Đe hệ thống điện gió quy mô lớn thâm nhập vào lưới điện mà không
ảnh hưởng đến sự ổn định của hệ thống cũ, các nhà đầu tư điện gió phải đáp ứng các vấn
đề trong Grid Code quy định từ lưới, trong đó phải kể đến các yêu cầu về chất lượng
điện và cách phân phối điện gió vào lưới điện. Hệ thống phải có khả năng lướt qua sự cố
(hoặc lướt qua điện áp thấp LVRT), phải được kết nối với lưới điện trong trường hợp can
on định điện áp lưới khi tải tăng. Mặc khác, các nhà máy phát điện gió phải đảm bảo
cung cấp được cả công suất tác dụng và công suất phản kháng nhằm góp phần điều khiển
tần số và điện áp lưới.
Reliability and Availability: Đối với các hệ thống điện gió lắp đặt ở các vùng cao hoặc
ngoài biển đảo thì sẽ có chi phí vận hành cao hơn. Do đó yêu cầu hệ thống điện
12


gió phải tin cậy và có khả năng bảo trì bảo dưỡng phải được tính đến nhiều hon. Đặc biệt

là các biện pháp bảo vệ thống ẩm ướt, nước mặn.
Variable Speed: Để cho phép khả năng ghép nối tối ưu giữa phần cơ và phần tạo ra điện
của turbine, nhằm thu được công suất tối đa như biểu thức (2.9) thì hệ thống phải yêu cầu
có tốc độ thay đổi được.

13



2.2.2.

Năng lượng mặt trời:

Trong số các nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng mặt trời đang tạo ra một sản lượng
điện lớn và đang gia tăng trên toàn thế giói. Ngoài việc xây dựng các trang trại mặt trời
rộng lớn, các hệ thống năng lượng mặt tròi gắng trên mái nhà cũng được chấp nhận ở
nhiều khu vực. Đối với điện mặt tròi, cả ở ứng dụng hòa lưói hay quy mô dân dụng, chi
phí và hiệu suất là những yếu tố quan trọng để tối đa hóa chi phí mổi watts điện phát ra,
đó là mối quan tâm chính cho các nhà hộ tiêu thụ và nhà đầu tư hệ thống điện mặt trời.
Ngoài ra, dễ dàng lắp đặt vói số ít các thiết bị điện tử cũng là một yếu tố được xem xét.
Tăng hiệu suất, giảm chi phí hệ thống và kích thước của bộ biến đổi công suất là tất cả các
yếu tố quan trọng trong việc phát triển hệ thống điện mặt trời trong tương lai.

Hình 2.6. Cấu hình hệ thống điện mặt trời độc lập
Hình 2.6 mô tả cấu hình một hệ thống năng lượng mặt trời độc lập, bao gồm các thành
phần chính là: Pin quang điện, bộ biến đổi công suất (DC/DC và DCAC), acquy và tải
tiêu thụ. Năng lượng mặt trời được tấm pin quang điện chuyển đối thành điện năng,
thông qua các bộ biến đổi công suất, năng lượng điện này có thể được sử dụng trực
tiếp cho tải DC, lữu trữ acquy hay nghịch lưu để sử dụng cho tải AC (hoặc hòa vào
lưới điện quốc gia). Tuy nhiên, công suất điện thu được từ pin mặt trời phụ thuộc vào

nhiều yếu tố như tải, bức xạ, nhiệt độ, điều kiện che khuất... vì vậy việc điều khiển và
giám sát liên tục các thông số hệ thống để thu được công suất lớn nhất từ mặt trời là
14