Nghiên cứu hệ thống điện lai năng lượng gió và mặt trời nối lưới​

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

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

HỒ MINH QUÂN

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỆN LAI NĂNG
LƯỢNG GIÓ VÀ MẶT TRỜI NỐI LƯỚI

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 11 năm 2017


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

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

HỒ MINH QUÂN

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỆN LAI NĂNG
LƯỢNG GIÓ VÀ MẶT TRỜI NỐI LƯỚI

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 11 năm 2017


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

Họ và tên

Chức danh Hội đồng

1

PGS. TS. Nguyễn Thanh Phương

Chủ tịch

2

PGS. TS. Dương Hoài Nghĩa

Phản biện 1

3

PGS. TS. Quyền Huy Ánh

Phản biện 2

4

PGS.TS. Lê Minh Phương

Ủy viên

5

TS. Nguyễn Minh Tâm

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 2017

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: HỒ MINH QUÂN

Giới tính: NAM

Ngày, tháng, năm sinh: 15/10/1989

Nơi sinh: TP. Hồ Chí Minh

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN

MSHV: 1541830011

I- Tên đề tài:
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỆN LAI NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ MẶT TRỜI
NỐI LƯỚI
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)

PGS. TS. Huỳnh Châu Duy

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


i

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

Hồ Minh Quân


ii

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 15SMĐ11 đã động viên và giúp đỡ
tôi trong quá trình thực hiện đề tài luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Công nghệ Tp. HCM; Khoa Cơ Điện - Điện tử 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.

Hồ Minh Quân


iii

TÓM TẮT
Luận văn thực hiện nghiên cứu các vấn đề liên quan đến, “Nghiên cứu hệ
thống điện lai năng lượng gió và mặt trời”mà bao gồm các nội dung như sau:
- Chương 1: Giới thiệu chung
- Chương 2: Cơ sở lý thuyết năng lượng mặt trời và gió
- Chương 3: 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


iv

ABSTRACT
The thesis presents issues relating to "Hibrid power systems of wind and
solar energies". It consists of the following contents:

- Chapter 1: Introduction
- Chapter 2: Background to wind and solar energies
- Chapter 3: Hybrid power systems of wind and solar energies
- Chapter 4: Simulation results
- Chapter 5: Conclusions and future works


v

MỤC LỤC
LỜI CAM ÐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CÁM ƠN ............................................................................................................ ii
TÓM TẮT ................................................................................................................. iii
ABSTRACT .............................................................................................................. iv
MỤC LỤC ...................................................................................................................v
DANH MỤC CÁC BẢNG...................................................................................... viii
DANH MỤC CÁC HÌNH ......................................................................................... ix
Chương 1 .....................................................................................................................1
Giới thiệu chung ..........................................................................................................1
1.1. Giới thiệu..........................................................................................................1
1.2. Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu .......................................................................1
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 .........................................................................18
1.6. Nội dung của luận văn....................................................................................19
Chương 2 ...................................................................................................................20
Cơ sở lý thuyết năng lượng mặt trời và gió ..............................................................20
2.1. Năng lượng mặt trời .......................................................................................20
2.1.1. Giới thiệu.................................................................................................20
2.1.2. Các công nghệ sử dụng năng lượng mặt trời ..........................................21

2.1.3. Các ưu và nhược điểm của năng lượng mặt trời .....................................21
2.1.3.1. Ưu điểm ............................................................................................21
2.1.3.2. Nhược điểm ......................................................................................22
2.1.4. Pin mặt trời ..............................................................................................22
2.1.4.1. Giới thiệu pin mặt trời ......................................................................22
2.1.4.2. Cấu tạo của pin mặt trời ...................................................................23
2.1.4.3. Nguyên tắc hoạt động ......................................................................26
2.1.4.4. Đặc tính của pin mặt trời ..................................................................26
2.1.5. Các mô hình hệ thống pin mặt trời..........................................................31
2.1.6. Bộ biến đổi nguồn ...................................................................................33


vi
2.1.6.1. Giới thiệu..........................................................................................33
2.1.6.2. Bộ biến đổi tăng áp ..........................................................................34
2.1.6.3. Nguyên tắc hoạt động của bộ tăng áp ..............................................36
2.1.6.4. Mô hình toán học của bộ biến đổi tăng áp .......................................39
2.2. Năng lượng gió ...............................................................................................42
2.2.1. Sự hình thành năng lượng gió .................................................................42
2.2.2. Lịch sử phát triển nguồn năng lượng gió ................................................43
2.2.3. Năng lượng gió trên thế giới ...................................................................44
2.2.4. Nguồn năng lượng gió tại Đông Nam Á .................................................45
2.2.5. Nguồn năng lượng gió tại Việt Nam .......................................................46
2.2.6. Ứng dụng của năng lượng gió ................................................................49
2.2.7. Tuabin gió ...............................................................................................53
2.2.8. Những thuận lợi và khó khăn của việc sử dụng năng lượng gió ............54
2.2.8.1. Những thuận lợi ...............................................................................54
2.2.8.2. Những khó khăn ...............................................................................54
2.2.9. Cấu tạo của tuabin gió .............................................................................55
2.2.10. Nguyên lý làm việc ...............................................................................57

2.2.11. Hệ thống phát điện gió điển hình ..........................................................61
2.2.11.1. Máy phát điện không đồng bộ kiểu lồng sóc .................................61
2.2.11.2. Máy phát điện không đồng bộ kiểu dây quấn ................................62
2.2.11.3. Máy phát điện không đồng bộ kích từ kép.....................................63
2.2.11.4. Máy phát điện đồng bộ tự kích ......................................................66
2.2.11.5. Máy phát điện đồng bộ từ trường vĩnh cửu ...................................67
2.2.12. Kết nối máy phát điện gió với lưới điện ...............................................69
2.2.12.1. Điều khiển công suất tác dụng .......................................................69
2.2.12.2. Điều khiển công suất phản kháng và ổn định điện áp....................70
2.2.13. Cấu hình hệ thống và nguyên lý hoạt động của máy phát điện gió
PMSG ................................................................................................................71
2.2.14. Mô hình toán của PMSG .......................................................................73
2.2.14.1. Mô hình máy phát điện gió PMSG trong hệ tọa độ abc .................73
2.2.14.2. Mô hình máy phát điện gió PMSG trong hệ tọa độ dq ..................74


vii
2.2.14.3. Công suất và mômen của PMSG ...................................................76
2.3. Pin lưu trữ năng lượng ...................................................................................77
2.3.1. Nguyên lý hoạt động của pin axít chì .....................................................78
2.3.2. Quá trình nạp - xả của pin axít-chì ..........................................................80
Chương 3 ...................................................................................................................83
Hệ thống điện lai năng lượng mặt trời và gió ...........................................................83
3.1. Giới thiệu........................................................................................................83
3.2. Ưu và nhược điểm của các hệ thống điện lai .................................................84
3.2.1. Ưu điểm của các hệ thống điện lai ..........................................................84
3.2.2. Nhược điểm của các hệ thống điện lai ghép ...........................................84
3.3. Hệ thống điện lai năng lượng gió, mặt trời và ắc-quy ...................................84
3.4. Hệ thống điện lai năng lượng mặt trời và pin nhiên liệu ...............................85
3.5. Hệ thống điện lai năng lượng mặt trời và gió ............................................86

3.6. Tích trữ các nguồn năng lượng tái tạo ...........................................................87
3.6.1. Hệ thống tích trữ năng lượng bằng bơm nước thủy điện ........................88
3.6.2. Hệ thống tích trữ năng lượng bằng khí nén ............................................89
3.7. Các ứng dụng của hệ thống điện lai ...............................................................90
Chương 4 ...................................................................................................................91
Mô phỏng hệ thống điện lai năng lượng mặt trời và gió...........................................91
4.1. Giới thiệu........................................................................................................91
4.2. Kết quả mô phỏng ..........................................................................................96
4.2.1. Cường độ bức xạ và tốc độ gió không đổi ..............................................96
4.2.2. Cường độ bức xạ thay đổi và tốc độ gió không đổi ..............................100
4.2.3. Cường độ bức xạ thay đổi và tốc độ gió thay đổi .................................105
Chương 5 .................................................................................................................110
Kết luận và hướng phát triển tương lai ...................................................................110
5.1. Kết luận ........................................................................................................110
5.2. Hướng phát triển tương lai ...........................................................................110
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................112


viii

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1. Hiệu suất các loại vật liệu pin mặt trời .....................................................25


ix

DANH MỤC CÁC HÌNH
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 ........................................14
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 ................................................................................................23
Hình 2.2. Các loại cấu trúc tinh thể của PV ..............................................................24
Hình 2.3. Các loại vật liệu PV...................................................................................25
Hình 2.4. Sơ đồ hoạt động của pin mặt trời silic ......................................................26
Hình 2.5. Mạch tương đương của mảng PV .............................................................27
Hình 2.6. Đặc tính môđun PV khi cường độ ánh sáng mặt trời thay đổi và nhiệt độ
môi trường không đổi (250C) ....................................................................................29
Hình 2.7. Đặc tính môđun PV khi cường độ ánh sáng mặt trời không đổi và nhiệt độ
môi trường thay đổi ...................................................................................................31


x

Hình 2.8. Sơ đồ khối hệ thống hòa lưới điện ............................................................32
Hình 2.9. Sơ đồ khối hệ thống làm việc độc lập .......................................................32
Hình 2.10. Sơ đồ khối hệ thống hòa lưới điện có dự trữ...........................................33
Hình 2.11. Mạch bộ biến đổi tăng áp ........................................................................35
Hình 2.12. Chế độ dẫn liên tục của bộ biến đổi tăng áp ...........................................36
Hình 2.13. Chế độ dẫn gián đoạn của bộ biến đổi tăng áp........................................36
Hình 2.14. Transitor ở chế độ on ..............................................................................37
Hình 2.15. Transitor ở chế độ off ..............................................................................38
Hình 2.16. Mối tương quan giữa bộ biến đổi tăng áp lý tưởng và hệ số làm việc ....39
Hình 2.17. Bộ biến đổi tăng áp không lý tưởng ........................................................39
Hình 2.18. Bản đồ vận tốc gió theo mùa ...................................................................43
Hình 2.19. Công suất điện gió trên thế giới trong thời gian 1996 - 2008 .................45
Hình 2.20. Biểu đồ phân bố gió Việt Nam ở độ cao 80 m ........................................48
Hình 2.21. Tuabin gió của nhà máy điện gió Tuy Phong, Bình Thuận ....................51
Hình 2.22. Tuabin gió của nhà máy điện gió đảo Phú Quý, Bình Thuận .................51
Hình 2.23. Tuabin gió của nhà máy điện gió Bạc Liêu ............................................52
Hình 2.24. Điện gió Phú Lạc, Bình Thuận ................................................................52
Hình 2.25. Cấu trúc của một tuabin gió ....................................................................55
Hình 2.26. Kết cấu của một máy phát điện gió .........................................................57
Hình 2.27. Đường cong hiệu suất rotor .....................................................................59
Hình 2.28. Đặc tính quan hệ Cp= f(λ) của tuabin gió ...............................................60
Hình 2.29. Đường đặc tính Công suất – Tốc độ góc của Tuabin gió .......................60
Hình 2.30. Hệ thống phát điện gió sử dụng máy phát SCIG ....................................62
Hình 2.31. Hệ thống phát điện gió sử dụng máy phát WRIG ...................................63
Hình 2.32. Hệ thống phát điện gió sử dụng máy phát DFIG ....................................64
Hình 2.33. Tuabin gió tốc độ biến đổi sử dụng bộ bộ biến đổi tần số tỉ lệ cho nguồn
kích từ ........................................................................................................................65
Hình 2.34. Hệ thống phát điện gió sử dụng máy phát điện EESG............................67
Hình 2.35. Hệ thống điện gió sử dụng PMSG ..........................................................68
Hình 2.36. Hệ thống các loại tuabin gió ...................................................................69

Hình 2.37. Sơ đồ hệ thống điện gió sử dụng PMSG .................................................71


xi
Hình 2.38. Chuyển đổi năng lượng gió thành năng lượng điện trong hệ thống điện
gió PMSG ..................................................................................................................72
Hình 2.39. Hệ thống nghịch lưu công suất của hệ thống điện gió PMSG ................72
Hình 2.40. Mặt cắt của PMSG 2 cực ........................................................................73
Hình 2.41. Sơ đồ mạch tương đương của PMSG trong hệ tọa độ dq .......................76
Hình 2.42. Cấu hình một pin axít chì (đã nạp đầy) đang xả điện ............................. 79
Hình 2.43. Mạch tương đương của pin ..................................................................... 79
Hình 2.44. Phương trình điện áp nạp và xả ...............................................................80
Hình 2.45. Chu trình nạp của pin axít chì trong chu kỳ sạc sâu ...............................81
Hình 3.1. Sơ đồ hệ thống điện lai năng lượng gió, mặt trời và ắc-quy .....................85
Hình 3.2. Hệ thống điện lai năng lượng mặt trời và pin nhiên liệu ..........................86
Hình 3.3. Sơ đồ hệ thống điện lai pin mặt trời và tuabin gió ....................................87
Hình 3.4. Mô hình của hệ thống tích trữ năng lượng bằng việc bơm nước thủy điện
...................................................................................................................................88
Hình 3.5. Mô hình của hệ thống tích trữ năng lượng bằng khí nén ..........................89
Hình 4.1. Sơ đồ khối hệ thống điện lai năng lượng mặt trời và gió ..........................91
Hình 4.2. Sơ đồ mô phỏng hệ thống điện lai năng lượng mặt trời và gió .................92
Hình 4.3. Sơ đồ mô phỏng hệ thống điện mặt trời ....................................................92
Hình 4.4. Sơ đồ mô phỏng thay thế cho một tế bào pin quang điện .........................93
Hình 4.5. Sơ đồ mô phỏng hệ thống điện gió ...........................................................93
Hình 4.6. Mô hình tuabin gió ....................................................................................94
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) ..................................................................................95
Hình 4.8. Tải của hệ thống điện lai năng lượng mặt trời và gió ...............................95
Hình 4.9. Cường độ bức xạ không đổi, G1 = 1000 (W/m2) ......................................96
Hình 4.10. Cường độ dòng điện của hệ thống PV với cường độ bức xạ không đổi,

G1 = 1000 (W/m2) .....................................................................................................97
Hình 4.11. Điện áp của hệ thống PV với cường độ bức xạ không đổi, G1 = 1000
(W/m2) .......................................................................................................................97
Hình 4.12. Tốc độ gió không đổi, v1 = 12 (m/s) .......................................................98


xii
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).................................................................................98
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) ............................................................................................99
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 ...................99
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 ..................................100
Hình 4.17. Cường độ bức xạ thay đổi, G2 (W/m2) ..................................................101
Hình 4.18. Cường độ dòng điện của hệ thống PV với cường độ bức xạ thay đổi,
G2(W/m2) .................................................................................................................101
Hình 4.19. Điện áp của hệ thống PV với cường độ bức xạ thay đổi, G2 (W/m2) ...102
Hình 4.20. Tốc độ gió không đổi, v2 = 12 (m/s) .....................................................102
Hình 4.21. Cường độ dòng điện pha A của máy phát điện gió PMSG, ia(A) .........103
Hình 4.22. Điện áp dây AB của máy phát điện gió PMSG, vab(V) ........................103
Hình 4.23. Cường độ dòng điện của hệ thống điện lai năng lượng mặt trời và gió,
iabc(A).......................................................................................................................104
Hình 4.24. Điện áp của hệ thống điện lai năng lượng mặt trời và gió, vabc(A) .......104
Hình 4.25. Cường độ bức xạ thay đổi, G3 (W/m2) ..................................................105
Hình 4.26. Cường độ dòng điện của hệ thống PV với cường độ bức xạ thay đổi,
G3(W/m2) .................................................................................................................106
Hình 4.27. Điện áp của hệ thống PV với cường độ bức xạ thay đổi, G3 (W/m2) ...106
Hình 4.28. Tốc độ gió thay đổi, v3 (m/s) .................................................................107

Hình 4.29. Cường độ dòng điện pha A của máy phát điện gió PMSG, ia(A) .........107
Hình 4.30. Điện áp dây AB của máy phát điện gió PMSG, vab(V) ........................108
Hình 4.31. Cường độ dòng điện của hệ thống điện lai năng lượng mặt trời và gió,
iabc(A).......................................................................................................................108
Hình 4.32. Điện áp của hệ thống điện lai năng lượng mặt trời và gió, vabc(A) .......109


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,...
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


2
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.
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


3
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.
Sơ đồ hệ thống điện kết hợp, Hình 1.4 giới thiệu một hệ thống điện mà ắcquy 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.


6
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 điện gió và mặt
trời [4]. Các tác giả đã phân tích, so sánh và đánh giá các bộ điều khiển bám điểm


9
công suất cực đại trong hệ thống này giữa việc sử dụng lần lượt các giải thuật P&O
(Perturb &Observe) cho hệ thống pin quang điện và giải thuật HCS (Hill Climb

Search) cho hệ thống điện gió với các bộ điều khiển sử dụng kỹ thuật logic mờ cho
cả hai hệ thống pin quang điện và điện gió. Hình 1.9 biểu diễn cho một hệ thống
điện kết hợp bao gồm 3 khối cơ bản chính: khối phát điện, khối chuyển đổi và điều
khiển; khối phân phối. Hình 1.10 và 1.11 là các sơ đồ khối điều khiển bám điểm
công suất cực đại cho hệ thống pin quang điện và hệ thống điện gió sử dụng kỹ
thuật điều khiển logic mờ. Trong nghiên cứu này, hệ thống điện tuabin gió sử dụng
máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cữu. Tín hiệu ngõ vào cho bộ điều khiển
bám điểm công suất cực đại sử dụng kỹ thuật điều khiển logic mờ bao gồm tốc độ
của tuabin gió, điện áp và cường độ dòng điện của máy phát điện đồng bộ nam
châm vĩnh cữu; điện áp và cường độ dòng điện của hệ thống pin quang điện. Các bộ
chuyển đổi Boost được sử dụng cho cả hệ thống điện gió và pin quang điện được
điều khiển bởi bộ điều khiển sử dụng kỹ thuật điều khiển logic mờ. Công suất phát
ra từ máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu tuabin gió được chuyển đổi và hòa
vào lưới với công suất được phát ra từ hệ thống pin quang điện tại thanh cái DC 220
V.

Hình 1.9. Sơ đồ khối của hệ thống điện kết hợp gió và mặt trời