Sử dụng tối ưu nguồn năng lượng gió và năng lượng mặt trời trong lưới điện microgrid
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.56 MB, 64 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM
---------------------------
NGUYỄN ANH TUÂN
SỬ DỤNG TỐI ƯU NGUỒN NĂNG LƯỢNG GIÓ
VÀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TRONG
LƯỚI ĐIỆN MICROGRID
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
Mã số ngành: 60520202
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 7 năm 2018
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM
---------------------------
NGUYỄN ANH TUÂN
SỬ DỤNG TỐI ƯU NGUỒN NĂNG LƯỢNG GIÓ
VÀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TRONG
LƯỚI ĐIỆN MICROGRID
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
Mã số ngành: 60520202
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS.NGUYỄN THANH PHƯƠNG
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 7 năm 2018
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS. Nguyễn Thanh Phương
Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM
ngày 28 tháng 07 năm 2018
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
PGS. TS. Ngô Cao Cường
PGS. TS. Huỳnh Châu Duy
TS. Võ Hoàng Duy
PGS. TS. Nguyễn Hùng
TS. Đoàn Thị Bằng
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
VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
TP. HCM, ngày 16 tháng 07 năm 2018
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: NGUYỄN ANH TUÂN
Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 28/11/1991
Nơi sinh: Phan Thiết – Bình Thuận
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
MSHV: 1641830022
I- Tên đề tài:
SỬ DỤNG TỐI ƯU NGUỒN NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ NĂNG LƯỢNG
MẶT TRỜI TRONG LƯỚI ĐIỆN MICROGRID.
II- Nhiệm vụ và nội dung:
-
Tìm hiểu hệ thống microgrid ở các nước phát triển.
-
Tìm hiểu các nguồn phát năng lượng sạch: năng lượng mặt trời và năng lượng
gió.
-
Xây dựng chương trình điều khiển sử dụng ưu tiên từ nguồn năng lượng tái tạo
trong hệ thống lưới điện microgrid.
-
Dùng phần mềm Matlad để mô phỏng hệ thống điều khiển của microgrid.
III- Ngày giao nhiệm vụ: 09/01/2018
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 16/07/2018
V- Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS. Nguyễn Thanh Phương
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)
KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ
công trình nào khác.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này
đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn
gốc.
Học viên thực hiện Luận văn
(Ký và ghi rõ họ tên)
Nguyễn Anh Tuân
ii
LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy Nguyễn Thanh
Phương, người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, giúp đỡ em thực hiện và hoàn thành
luận văn này.
Em xin cảm ơn đến quý thầy cô đã giảng dạy em trong thời gian học chương
trình cao học tại lớp cao học 16SMĐ11 tại trường đại học Công nghệ TP.HCM.
Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè đã luôn động viên tôi
trong suất quá trình học tập và thực hiện luận văn.
Nguyễn Anh Tuân
iii
TÓM TẮT
Trong bối cảnh thời đại công nghiệp hóa hiện đại hóa, khi mà nhu cầu điện
tăng cao để cung cấp cho các hoạt động sản xuất và sinh hoạt. Bên cạnh đó thì
nguồn nhiên liệu hóa thạch như than đá, dầu mỏ, khí đốt đã và đang đáp ứng phần
lớn nhu cầu năng lượng của con người thì không bền vững. Việc sử dụng nhiên liệu
hóa thạch là một trong những nguyên nhân chính gây ra biến đổi khí hậu và thậm
chí làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người.
Hơn nữa, các nguồn nhiên liệu nói trên đang dần cạn kiệt, vì vậy việc nghiên
cứu và sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo như: năng lượng gió, năng lượng mặt
trời hay năng lượng sinh khối là một nhu cầu tất yếu.
Việc sử dụng năng lượng hiệu quả, đặc biệt là sử dụng năng lượng tái tạo sẽ
nâng cao chất lượng không khí cho người dân, giảm áp lực nhập khẩu nguồn
nguyên liệu hóa thạch trong sản xuất điện.
Theo các nghiên cứu mới nhất cho rằng nước ta là quốc gia có nguồn năng
lượng tái tạo phong phú, đa dạng như năng lượng gió, mặt trời, năng lượng sinh
khối,... Nhưng để sử dụng một cách hiệu quả, tin cậy từ các nguồn năng lượng trên
để sản xuất điện đáp ứng cho các hoạt động sản xuất đời sống hàng ngày, nội dung
nghiên cứu trong luận văn này tập trung vào nghiên cứu hệ thống điều khiển trong
lưới điện Microgrid, sử dụng tối ưu nguồn năng lượng tái tạo (từ năng lượng mặt
trời, năng lượng gió) cung cấp cho tải.
iv
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. ii
TÓM TẮT ................................................................................................................. iii
MỤC LỤC ................................................................................................................. iv
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT................................................................................. vi
DANH MỤC CÁC HÌNH ........................................................................................ vii
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ........................................................................................1
1.1Đặt vấn đề ........................................................................................................... 1
1.2Tính cấp thiết của đề tài ..................................................................................... 2
1.3Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu ........................................................................ 2
1.4Phương pháp nghiên cứu: ................................................................................... 3
1.5 Nội dung luận văn: ............................................................................................ 3
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU .................................4
2.1 Hệ thống Microgrid là gì? ................................................................................. 4
2.2 Khái niệm hệ thống microgrid: ......................................................................... 5
2.3 Cấu trúc và hoạt động của hệ thống Microgrid ................................................. 7
2.3.1 Chế độ kết nối lưới: ....................................................................................8
2.3.2 Chế độ cô lập với lưới: ...............................................................................8
2.3.3 Chế độ sử dụng nguồn năng lượng tích trữ: ...............................................8
2.4 Tổng quan về năng lượng gió Việt Nam và tiềm năng phát triển ..................... 9
2.4.1 Thực trạng sử dụng năng lượng gió ở Việt Nam ......................................10
2.4.2 Ảnh hưởng môi trường xung quanh sử dụng năng lượng gió ..................12
2.5 Tổng quan về năng lượng mặt trời tại Việt Nam và tiềm năng phát triển ...... 14
2.5.1 Thực trạng sử dụng năng mặt trời ở Việt Nam .........................................16
2.5.2 Ảnh hưởng môi trường xung quanh sử dụng năng lượng mặt trời ...........17
2.6 Tổng quan điện lưới Việt Nam ........................................................................ 17
CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT VÀ TÍNH TOÁN ...........................................................19
3.1 Pin năng lượng mặt trời và phương trình toán của pin năng lượng mặt trời... 19
3.1.1 Pin năng lượng mặt trời ............................................................................19
3.1.2 Phân loại pin mặt trời................................................................................19
3.1.3 Phương trình toán pin năng lượng mặt trời ..............................................20
3.1.4 Các bước thiết kế hệ thống pin năng lượng mặt trời ................................22
v
3.2 Năng lượng điện gió và phương trình toán của turbine điện gió .................... 24
3.2.1 Năng lượng gió .........................................................................................24
3.2.2 Phân loại turbine gió .................................................................................25
3.2.3 Cấu tạo turbine gió: ..................................................................................28
3.2.4 Nguyên lý hoạt động turbine gió ..............................................................29
3.2.5 Phương trình toán turbine gió ...................................................................30
3.2.6 Máy phát điện ...........................................................................................32
3.3 Pin lưu trữ năng lượng (Battery) ..................................................................... 33
3.3.1 Nguyên lý hoạt động của pin axít chì .......................................................34
CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG ....................................................36
4.1 Sơ đồ kết nối máy phát điện gió và bộ pin năng lượng mặt trời cung cấp cho
tải qua bộ điều khiển microgrid ............................................................................. 36
4.2 Khối pin năng lượng mặt trời mô phỏng Simulink/Matlab ............................. 37
4.3 Khối turbine gió ............................................................................................... 38
4.4 Khối điều khiển pin lưu trữ năng lượng (battery) ........................................... 39
4.5 Khối microgrid control .................................................................................... 40
4.5.1 Thuật toán điều khiển ...............................................................................42
CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG.....................................................................43
5.1 Trường hợp khi thay đổi công suất của turbine gió và pin mặt trời ................ 43
5.1.1 Trường hợp nghiên cứu ............................................................................43
5.1.2 Kết quả mô phỏng khối pin năng lượng mặt trời .....................................43
5.1.3 Kết quả mô phỏng turbine gió ..................................................................44
5.1.4. Kết quả mô phỏng của Battery ................................................................44
5.2 Trường hợp khi thay đổi công suất turbine gió ............................................... 45
5.2.1 Trường hợp nghiên cứu ............................................................................45
5.2.2 Kết quả mô phỏng khối pin năng lượng mặt trời .....................................45
5.2.3 Kết quả mô phỏng turbine gió ..................................................................46
5.2.4. Kết quả mô phỏng của Battery ................................................................47
5.3 Điện áp ngõ ra ................................................................................................. 48
6.1 Kết luận và đánh giá ........................................................................................ 50
6.2 Các vấn đề được thực hiện trong luận văn ...................................................... 50
6.3 Đề nghị và các hướng phát triển của luận văn. ............................................... 50
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................51
vi
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
STT Từ viết tắt
Diễn giải tiếng Anh
Diễn giải Tiếng Việt
Nguồn năng lượng phân bố
Bộ điều khiển trung tâm
Microgrid
Bộ điều khiển nguồn
1
DER
Distributed Energy resource
2
MGCC
Microgrid central controller
3
MC
4
DMS
Hệ thống quản lý phân phối
5
DS
Microsource controller
Distribution Management
System
Distributed Storage
6
PCC
Point of Vommon Couling
Thanh cái
7
THD
Total Harmonic Distortion
Độ méo dạng sóng hài
8
WB
9
GIZ
10
11
12
13
HAWT
VAWT
SOC
NLTT
World Bank
Deutsche Gesellschaft für
Internationale Zusammenarbeit
Horizontal Axis Wind Turbine
Vertical Axis Wind Turbines
State of charge
Ngân hàng thế giới
Tổ chức hợp tác quốc tế
Đức
Turbin gió trục ngang
Turbin gió trục đứng
Trạng thái pin Battery
Năng lượng tái tạo
Bộ nhớ phân phối
vii
DANH MỤC CÁC HÌNH
HÌNH 2.1: MÔ HÌNH HỆ THỐNG MICROGRID ........................................................ 4
HÌNH 2.2 : MÔ PHỎNG HỆ THỐNG MICROGRID CÔNG SUẤT 500 KW............. 6
HÌNH 2.3: SƠ ĐỒ KẾT NỐI HỆ THỐNG MICROGRID VỚI LƯỚI.......................... 7
HÌNH 2.4: BẢN ĐỒ PHÂN BỐ TỐC ĐỘ GIÓ VIỆT NAM Ở ĐỘ CAO 80 M ........... 9
HÌNH 2.5: BẢN ĐỒ TIỀM NĂNG ĐIỆN MẶT TRỜI Ở VIỆT NAM ....................... 15
HÌNH 2.6: BẢN ĐỒ HỆ THỐNG ĐIỆN 500KV VIỆT NAM ĐẾN NĂM 2030 ....... 18
HÌNH 3.1: PHÂN LOẠI PIN MẶT TRỜI ................................................................... 19
HÌNH 3.2: QUY TRÌNH TẠO MODULE ................................................................... 20
HÌNH 3.3: CẤU TẠO MODULE ................................................................................. 20
HÌNH 3.4: MẠCH ĐIỆN TƯƠNG ĐƯƠNG PIN MẶT TRỜI ................................... 21
HÌNH 3.5: MẠCH TƯƠNG ĐƯƠNG CỦA TẾ BÀO QUANG ĐIỆN ....................... 21
HÌNH 3.6: CƯỜNG ĐỘ BỨC XẠ TỚI TẤM PIN ...................................................... 23
HÌNH 3.7: GÓC TIA BỨC XẠ MẶT TRỜI ĐẾN TẤM PIN ..................................... 23
HÌNH 3.8: HÌNH THÀNH GIÓ TRÊN TRÁI ĐẤT .................................................... 24
HÌNH 3.9: NĂNG LƯỢNG GIÓ QUA MẶT PHẲNG HÌNH TRÒN ........................ 25
HÌNH 3.10: TURBINE GIÓ TRỤC ĐỨNG Ở CÁC NƯỚC CHÂU ÂU .................... 26
HÌNH 3.11: TURBINE GIÓ TRỤC NGANG Ở TUY PHONG - BÌNH THUẬN ...... 26
HÌNH 3.12: CẤU TẠO TURBINE GIÓ TRỤC NGANG ........................................... 28
HÌNH 3.13: GÓC PITCH CÁNH QUẠT GIÓ ............................................................. 30
HÌNH 3.14: GIỚI HẠN VÀ HIỆU SUẤT ROTOR ..................................................... 32
HÌNH 3.15: CẤU HÌNH PIN BATTERY .................................................................... 35
HÌNH 3.16: MẠCH TƯƠNG ĐƯƠNG PIN BATTERY ............................................. 35
HÌNH 4.1: SƠ ĐỒ KẾT NỐI HỆ THỐNG MICROGRID .......................................... 36
HÌNH 4.2: SƠ ĐỒ KẾT NỐI HỆ THỐNG MICROGRID (MATLAB/SIMULINK) . 36
HÌNH 4.3: SƠ ĐỒ KHỐI PIN NLMT (MATLAB/SIMULINK) ................................. 37
viii
HÌNH 4.4: SƠ ĐỒ KHỐI TURBIN GIÓ (MATLAB/SIMULINK) ............................ 38
HÌNH 4.5: SƠ ĐỒ KHỐI BATTERY (MATLAB/SIMULINK) ................................. 39
HÌNH 4.6: KHỐI MICOGRID CONTROL IN MATLAB/SIMULINK...................... 40
HÌNH 4.7: SƠ ĐỒ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ...................................................... 42
HÌNH 5.1: CÔNG SUẤT PIN MẶT TRỜI (1) ........................................................... 43
HÌNH 5.2: CÔNG SUẤT TURBINE GIÓ (1) .............................................................. 44
HÌNH 5.3: CÔNG SUẤT CỦA BATTERY (1) ........................................................... 44
HÌNH 5.4: CÂN BẰNG CÔNG SUẤT CHO TẢI (1) ................................................. 45
HÌNH 5.5: CÔNG SUẤT PIN MẶT TRỜI (2) ............................................................ 46
HÌNH 5.6: CÔNG SUẤT TURBINE GIÓ (2) .............................................................. 47
HÌNH 5.7: CÔNG SUẤT CỦA BATTERY (2) ........................................................... 47
HÌNH 5.8: CÂN BẰNG CÔNG SUẤT CHO TẢI (2) ................................................. 48
HÌNH 5.9: ĐIỆN ÁP NGÕ RA DC CỦA PIN MẶT TRỜI ......................................... 48
HÌNH 5.10 ĐIỆN ÁP NGÕ RA DC CỦA TURBINE GIÓ ......................................... 49
HÌNH 5.11: ĐIỆN ÁP NGÕ RA CUNG CẤP CHO TẢI ............................................ 49
1
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
1.1 Đặt vấn đề
Điện và thông tin liên lạc điện tử là một trong những công nghệ chính đóng
góp đáng kể vào sự phát triển nhanh chóng của nền văn minh nhân loại trong thế kỷ
XX. Đặc biệt trong thời đại hiện nay, nhu cầu về điện cho tất cả các lĩnh vực kinh
tế, sản xuất, đời sống sinh hoạt ngày càng tăng cao. Sự thiếu hụt năng lượng đã phải
đối mặt trong nhiều quốc gia gần đây đã trực tiếp ảnh hưởng kinh tế, xã hội, phát
triển của đất nước. Nhu cầu năng lượng ngày càng tăng theo cấp số nhân trên toàn
thế giới và tiết kiệm năng lượng đã trở thành một nhu cầu của thời đại. Các hệ thống
phân phối truyền tải điện vẫn còn vận hành theo phương cách nhiều thập kỷ trước.
Thiếu sự đầu tư cho việc cài đặt mới kết hợp với các thành phần mạng (lưới điện
hiện hành trên 40 tuổi) đã dẫn đến hệ thống điện không hiệu quả và ngày càng
không ổn định.
Thực tế cho thấy ngành điện cần phải được thay đổi để đáp ứng với nhu cầu
của xã hội kỹ thuật số hiện đại. Khách hàng không chỉ yêu cầu về lượng điện đơn
thuần cho sản xuất và sinh hoạt mà còn yêu cầu về chất lượng, độ tin cậy và cần có
nhiều dịch vụ cung ứng điện để chọn lựa. Và đồng thời giá điện ngày càng tăng là
một trong những vấn đề đáng quan tâm hiện nay.
Bên cạnh đó, mọi người ngày càng nhận ra những ảnh hưởng tiêu cực đối với
môi trường khi con người đốt các loại năng lượng hóa thạch để sản xuất điện, thiên
tai xảy ra nhiều hơn với cường độ phá hoại ngày càng nghiêm trọng hơn và các nỗ
lực đang được xây dựng trên nhiều lĩnh vực để giảm thiểu sự phát thải CO 2. Sự
nóng lên của trái đất do việc sử dụng năng lượng theo cách hiện nay đang được cho
là quá sức chịu đựng của trái đất vào năm 2050 với dân số khoảng 9,5 tỷ người. Do
đó tình hình biến đổi khí hậu hiện nay gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến ngành điện,
đặc biệt là việc cung cấp điện. Nguồn nhiên liệu hóa thạch cũng sẽ cạn kiệt và đất
2
nước chúng ta là phụ thuộc khá nhiều vào tài nguyên thiên nhiên hữu hạn cho các
nhà máy điện.
Điều này như một lời cảnh tỉnh nghiêm trọng, bởi đó không chỉ ảnh hưởng
đến việc giải quyết các vấn đề kinh tế mà còn gây tác động đến khí hậu và ô nhiễm.
Từ đó hệ thống lưới điện siêu nhỏ (Microgrid) được hình thành và nhận được
nhiều sự chú ý trên thế giới, vì hiệu quả của các hệ thống này. Microgrid là một hệ
thống năng lượng địa phương được tạo ra ở khu vực nhỏ, hoạt động độc lập với với
mạng lưới năng lượng lớn hơn và có thể tái tạo, dự trữ năng lượng.
1.2 Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay các nguồn nhiên liệu hóa thạch như than đá, dầu mỏ, khí đốt đã và
đang đáp ứng phần lớn nhu cầu năng lượng của con người nhưng nó tác động lại
với khí hậu toàn cầu. Biểu hiện rõ nhất là sự nóng lên của trái đất, là băng tan, nước
biển dâng cao, các hiện tượng thời tiết bất thường, bão lũ, sóng thần, động đất, hạn
hán và giá rét kéo dài... dẫn đến thiếu lương thực, thực phẩm... Việt Nam là một
quốc gia ven biển nên chịu ảnh hưởng trực tiếp từ hiện tượng nước biển dâng.
Nguyên nhân chính gây ra sự biến đổi khí hậu là do tác động của con người,
đó là sự gia tăng khí CO2 trong khí quyển do khai thác và sử dụng năng lượng hóa
thạch. Trong khi đó, hầu hết các hoạt động liên quan đến NLTT bao gồm sản xuất,
lắp đặt, vận hành lại tạo ra ít khí nhà kính so với nguồn nhiên liệu hóa thạch. Vì
vậy, để giảm biến đổi khí hậu, năng lượng cần chuyển dịch từ dạng không bền vững
sang dạng năng lượng bền vững.
1.3 Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu lí thuyết có liên quan đến đề tài, tìm hiểu các máy phát từ nguồn
năng lượng mặt trời và năng lượng gió ưu tiên sử dụng nguồn năng lượng tái tạo,
giảm thiểu sử dụng năng lượng điện từ lưới.
Nghiên cứu mô hình điều khiển hệ thống microgrid, dựa trên theo dõi công
suất nguồn phát để điều khiển bù công suất cho tải.
3
1.4 Phương pháp nghiên cứu:
Thu thập tài liệu liên quan đến các vấn đề nghiên cứu.
Nghiên cứu tổng quan về năng lượng mặt trời và năng lượng gió.
Nghiên cứu các thông số ảnh hưởng đến hoạt động của pin mặt trời, máy
phát điện gió.
Xây dựng chương trình điều khiển hệ thống ổn định công suất đáp ứng cho
phụ tải, khi có ảnh hưởng môi trường làm giảm công suất từ máy phát.
Mô phỏng Matlab hệ thống điều khiển Microgrid.
1.5 Nội dung luận văn:
Luận văn được tổ chức thành 6 phần: Chương 1, Chương 2, Chương 3,
Chương 4, Chương 5 và Chương 6. Cụ thể các phần như sau:
Chương 1: Giới thiệu.
Chương 2: Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu.
Chương 3: Khảo sát và tính toán.
Chương 4: Mô hình hóa và mô phỏng.
Chương 5: Kết quả mô phỏng.
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển.
4
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU
2.1 Hệ thống Microgrid là gì?
Lưới điện siêu nhỏ (Microgrid - MG) là một hệ thống bao gồm các nguồn
năng lượng có công suất nhỏ và phát điện phân tán (Distributed Energy Resources –
DER) như: nguồn pin mặt trời, pin nhiên liệu, turbine gió, microturbine..vv. Ngoài
ra còn có các hệ thống đo lường và các phụ tải. Công nghệ điều khiển cho lưới điện
siêu nhỏ có thể hoạt động độc lập hoặc tích hợp chúng vào lưới điện phân phối,
thông qua hệ thống điều khiển và giám sát như (hình 2.1), nhằm hướng đến phát
triển lưới điện thông minh và điều khiển nối lưới linh hoạt.
Hình 2.1: Mô hình hệ thống Microgrid
5
2.2 Khái niệm hệ thống microgrid:
Việc hình thành microgrid được dựa trên khả năng kiểm soát các hoạt động
của hệ thống, gồm các máy phát điện của turbine gió, pin năng lượng mặt trời, cùng
với các thiết bị lưu trữ,...
Khả năng kiểm soát cho phép mạng lưới phân phối vẫn hoạt động khi bị tách
khỏi lưới điện chính, trong trường hợp có sự cố, do sự cố, hoặc là ưu tiên cho các
nguồn cung cấp từ năng lượng tái tạo để bảo vệ môi trường, từ đó tăng độ tin cậy
cho hệ thống.
Hệ thống microgrid có thể vận hành ở cả hai trạng thái: trạng thái bình
thường (nối lưới) và trạng thái cách li (cô lập).
+ Thông thường các microgrid vận hành trong trạng thái kết nối lưới trừ
trường hợp tại các đảo. Vì vậy lợi ích của các microgrids sinh ra chủ yếu
trong trạng thái này.
+ Để có thể vận hành lâu dài trong chế độ cách li, microgrid phải thỏa mãn
các yêu cầu cao về dung lượng lưu trữ và công suất phát của các nguồn phân
bố để đảm bảo cấp điện liên tục hoặc phải thực hiện các biện pháp giảm tải
phù hợp.
Khác nhau giữa microgrid và một lưới điện thụ động chủ yếu là việc quản lý
và vận hành các nguồn, tài nguyên.
+ Việc vận hành Microgrid bao gồm điều khiển các nguồn phát, quản lý hệ
thống dịch vụ, điều khiển tải, giảm thải ra môi trường. Các yếu tố này ảnh
hưởng tất cả các mặt: kinh tế, kỹ thuật, môi trường.
+ Ưu điểm nổi bật khác của Microgrid còn là khả năng tối ưu hóa, mang lại
lợi ích tốt nhất cho tất cả các bên.
Hệ thống điện không có tổ chức của Microgrid nếu thiếu đi một trong những
nhân tố thiết yếu sau:
+ Phụ tải: Do người sử dụng là nhân tố vừa là nơi tiêu thụ năng lượng và
cũng là cung cấp năng lượng (thông qua các nguồn năng lượng phân bố), để
6
từ đó đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện. Hệ thống có thể vận hành ở trạng
thái kết nối lưới hoặc cô lập (islanded modes).
+ Nguồn năng lượng phân bố (Microsource): năng lượng mặt trời, gió, fuel
cell và cả hệ thống tích trữ năng lượng.
+ Hệ thống giám sát và điều khiển: Điều khiển microgrid sẽ buộc người tiêu
dùng phải thay đổi nhu cầu của họ, tùy thuộc vào năng lượng tái tạo sẵn có.
Theo ý tưởng của Microgrid, việc vận hành sẽ được tái cấu trúc với việc
thêm vào các tính năng: bộ đo đếm điện năng, truyền thông và các thiết bị điều
khiển để chuyển từ tình trạng “thụ động” ở lưới điện truyền thống chuyển sang tình
trạng “tích cực” ở lưới điện Microgrid.
+ Giảm thiểu ô nhiễm môi trường: đây là một trong những yêu cầu thiết yếu
hình thành Microgrid ban đầu là giảm ô nhiễm môi trường.
Các nhân tố tham gia vào hệ thống Microgrid:
+ Nguồn năng lượng phân bố (DER): mặt trời, giò, fuel cell..
+ Hệ thống tích trữ năng lượng (Energy storage): pin, siêu tụ, bánh đà
(flywheels)…
+ Hệ thống lưới truyền tải bao gồm cả hệ thống truyền thông để thực hiện
giao tiếp và giám sát như: MGCC, MC, hệ thống quản lý DMS.
Hình 2.2 : Mô phỏng hệ thống microgrid công suất 500 KW
7
2.3 Cấu trúc và hoạt động của hệ thống Microgrid
Hệ thống Microgrid có khả năng kết nối lưới hoặc cô lập với lưới khi lưới
điện có sự cố.
Hình 2.3: Sơ đồ kết nối hệ thống Microgrid với lưới
Cơ cấu gồm các nguồn năng lượng phân bố DGs như năng lượng mặt trời,
năng lượng gió, microturbin, nguồn năng lượng nhiệt lấy từ năng lượng tái tạo, và
hệ thống tích trữ năng lượng (DS). Lưới điện của Microgrid sẽ liên kết với một
thanh cái chung PCC để liên kết giữa các nguồn phái DGs, DS với các phụ tải như
khu dân cư, các tòa nhà, trường học, cụm công nghiệp.
Hệ thống điện tử công suất sẽ được sử dụng trong hệ thống để chuyển đổi
các nguồn năng lượng tái tạo cung cấp cho các phụ tải tiêu thụ. Như chuyển đổi
8
DC/AC hay AC/AC, AC/DC/AC tùy thuộc vào lưới Microgrid có cấu trúc: DC
Microgrid hay AC Microgrid.
2.3.1 Chế độ kết nối lưới:
Chế độ này hoạt động như sau, chuyển đổi kết nối các nguồn điện song song
với các nguồn khác để cung cấp tải cục bộ và có thể sử dụng hoặc cung cấp điện từ
lưới điện chính.
Kết nối song song của máy phát điện được quản lý bởi các tiêu chuẩn quốc
gia. Các tiêu chuẩn yêu cầu là việc kết nối phải đảm bảo điện áp kết nối tại điểm kết
nối chung PCC, cũng như đảm bảo chất lượng điện năng như giới hạn độ méo dạng
sóng hài THD là nhỏ nhất.
2.3.2 Chế độ cô lập với lưới:
Ở chế độ này các bộ biến đổi công suất sẽ vẫn tiếp tục cung cấp năng lượng
từ các nguồn năng lượng phân bố cho các phụ tải thuộc hệ thống Microgrid khi lưới
điện chính bị ngắt kết nối.
Trong chế độ này các bộ biến đổi công suất sẽ đảm nhiệm vai trò duy trì điện
áp và tần số, trong điều kiện có sự mất cân bằng về phụ tải và chất lượng điện năng
suy giảm. Do sự suy giảm công suất từ nguồn cung cấp, nên trong trường hợp này
lưới Microgrid có thể sẽ sa thải một số phụ tải không quan trọng để đảm bảo sự ổn
định và chất lượng cung cấp điện cho lưới.
2.3.3 Chế độ sử dụng nguồn năng lượng tích trữ:
Trong một microgrid, pin lưu trữ, hoặc các thiết bị lưu trữ năng lượng khác
là cần thiết để xử lý nhiễu về điện áp và tần số và sự thay đổi đột ngột của phụ tải.
Nói cách khác, lưu trữ năng lượng là cần thiết để thích ứng với các thay đổi giữa
cung và cầu, do đó cải thiện độ tin cậy của các Microgrid. Bộ biến đổi công suất sau
đó có thể được sử dụng như một bộ sạc pin.
9
2.4 Tổng quan về năng lượng gió Việt Nam và tiềm năng phát triển
Việt Nam nằm trong vùng khí hậu gió mùa và được định hình bởi đường bờ
biển dài hơn 3.260km, Việt Nam có tiềm năng lớn trong phát triển điện gió, với
công suất ước tính vào khoảng 24GW. Nằm trong khu vực cận nhiệt đới gió mùa
với đường bờ biển trải dài, Việt Nam có nhiều thuận lợi để phát triển năng lượng
điện gió. Cùng với nguồn năng lượng tái tạo từ mặt trời thì năng lượng điện gió
được kỳ vọng là một giải pháp giúp nâng cao sản lượng điện của Việt Nam trong
những năm tới.
Hình 2.4: Bản đồ phân bố tốc độ gió Việt Nam ở độ cao 80 m
10
Một nghiên cứu của Ngân hàng Thế giới (WB) cũng cho thấy 8,6% diện tích
đất liền của Việt Nam rất giàu tiềm năng, thuận lợi cho việc lắp đặt các tua-bin gió
lớn.
Đặc biệt, theo số liệu khảo sát năng lượng gió gần đây của Tổ chức Hợp tác
Phát triển Đức (GIZ), tại vùng Đồng bằng sông Cửu Long những vùng ven biển,
ngoài khơi thuộc các tỉnh Bạc Liêu, Cà Mau, Sóc Trăng, Trà Vinh, Bến Tre... có
tiềm năng gió rất cao, dễ khai thác và rất thuận lợi cho việc đầu tư các dự án điện
gió. Với thuận lợi về mặt địa hình như vậy và điều kiện gió biển ven bờ mạnh
khoảng 6-7 mét/giây ở độ cao 80 mét (chiều cao các cột điện gió hiện đã lắp đặt ở
Bạc Liêu) thì tiềm năng khai thác năng lượng điện gió ven bờ biển tại khu vực này
có thể đạt từ 1.200-1.500 MW. Bên cạnh đó, cũng theo các nghiên cứu khảo sát,
việc đầu tư xây dựng các dự án điện gió ở các tỉnh ven biển khu vực Đồng bằng
sông Cửu Long có nhiều lợi thế như:
- Khu vực ven biển các vùng trên có tốc độ gió rất cao, trung bình từ 6,5 đến
7m/s. Những tháng cao điểm lên tới 11m/s và đón được các hướng gió chính (theo
biểu đồ dữ liệu đo gió của GIZ).
- Về đất đai, các địa phương trên có chiều dài bờ biển, vùng đất bãi bồi,
không dân cư sinh sống thuận lợi cho vận chuyển tập kết vật tư, thiết bị để xây dựng
nhà máy hiện tại và mở rộng trong tương lai.
- Về hạ tầng, có các đường điện 110kV hiện hữu rất thuận lợi cho việc đấu
nối điện của dự án vào lưới điện quốc gia.
- Về nguồn lao động dồi dào, thuận lợi cho việc sử dụng để thực hiện dự án.
2.4.1 Thực trạng sử dụng năng lượng gió ở Việt Nam
Cho đến nay, có khoảng 48 dự án điện gió đã đăng ký trên toàn bộ lãnh thổ
Việt Nam tập trung chủ yếu ở các tỉnh miền Trung và Nam bộ, với tổng công suất
đăng ký gần 5.000 MW, quy mô công suất của các dự án từ 6 MW đến 250 MW.
Tuy nhiên, hiện nay do suất đầu tư của dự án điện gió vẫn còn khá cao, trong
khi giá mua điện gió là khá thấp 1.614 đồng/ kWh (tương đương khoảng 7,8
UScents/ kWh), cao hơn 310 đồng/ kWh so với mức giá điện bình quân hiện nay là
11
1.304 đồng/ kWh, được xem là chưa hấp dẫn các nhà đầu tư điện gió trong và ngoài
nước.
Do vậy, cho đến nay mới chỉ duy nhất một dự án điện gió ở Xã Bình Thạnh,
huyện Tuy Phong, tỉnh Bình Thuận là hoàn thiện giai đoạn 1 (dự kiến nâng tổng
công suất lên 120 MW trong giai đoạn 2 từ 2011 đến 2015), với công suất lắp đặt
30 MW (20 tuabin gió x 1,5 MW mỗi tua bin).. Tổng mức đầu tư của dự án lên đến
1.500 tỷ đồng (tương đương khoảng 75 triệu USD), các thiết bị tuabin gió sử dụng
của Công ty Fuhrlaender Đức. Dự án chính thức được nối lên lưới điện quốc gia
vào tháng 3 năm 2011. Sản lượng điện gió năm 2011 đạt khoảng 79.000 MWh.
Trên đảo Phú Quý, tỉnh Bình Thuận, dự án điện gió lai tạo với máy phát điện
diesel (diesel generator) (off-grid connection), của Tổng Công ty Điện lực Dầu khí,
thuộc Tập đoàn Dầu khí Việt Nam (Petro Vietnam), có tổng công suất là 9 MW
(gồm 3 tuabin gió x 2 MW mỗi tuabin + 6 máy phát diesel x 0,5 MW mỗi máy phát)
đã lắp đặt xong và đang trong giai đoạn nối lưới. Các tuabin gió sử dụng của hãng
Vestas, Đan Mạch. Giá bán điện đang đề xuất thông qua hợp đồng mua bán điện với
giá 13 US cents/ kWh. Giá mua điện này được đánh giá là hấp dẫn do đặc thù dự án
ở ngoài đảo.
Tương tự, một dự án điện gió ở Côn Đảo, tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu do Công
ty EAB CHLB Đức làm chủ đầu tư, giá bán điện thoả thuận là 25 UScents/ kWh.
Dự án đang chuẩn bị tiến hành xây dựng.
Tại tỉnh Bạc Liêu, vùng đồng bằng Sông Cửu Long một dự án điện gió khác
thuộc công ty TNHH Thương mại và Dịch vụ Công Lý cũng đang trong giai đoạn
lắp đặt các tuabin gió (1 tuabin gió đã được lắp đặt) với công suất 16 MW trong giai
đoạn đầu (10 tuabin gió x 1.6 MW mỗi tuabin của hãng GE Mỹ). Dự kiến trong giai
đoạn 2 của dự án công suất sẽ nâng lên 120 MW (từ năm 2012 đến đầu năm 2014).
Dự kiến, sau khi hoàn thành cả hai giai đoạn, sẽ có 62 turbin điện gió với tổng công
suất là 99MW và điện năng sản xuất mỗi năm khoảng 320 triệu kWh. Cả 62 cột
tháp và turbin điện gió đều được đặt trên biển.
12
2.4.2 Ảnh hưởng môi trường xung quanh sử dụng năng lượng gió
+ Tác động đến môi trường
Cánh đồng gió sử dụng nguồn năng lượng từ gió để tạo ra điện năng, là năng
lượng tái tạo và thuộc loại điện sạch vì không phát thải khí nhà kính, không làm
thay đổi khí hậu toàn cầu, không tạo ra chất gây ô nhiễm môi trường.
Tuy nhiên nhưng để xây dựng nhà máy điện gió buộc phải có diện tích đất
rộng lớn, nhưng cánh đồng gió phát triển kèm theo sự thay đổi cảnh quan sinh thái
tại khu vực đó.
+ Ảnh hưởng tiếng ồn
Cũng như tất cả các máy móc thiết bị cơ, điện, turbine gió khi hoạt động sẽ
phát sinh một độ ồn nhất định. Độ ồn này do sự chuyển động của những hệ thống
cơ trong turbine điện gió và dòng gió tác động vào cánh quạt. Tùy theo công nghệ,
nhà sản xuất và công suất mà độ ồn phát sinh của turbine điện gió khác nhau.
Turbine điện gió trục ngang hai cánh có độ ồn rất cao nên chỉ lắp đặt ngoài khơi xa
tầm nhìn thông thường. Turbine gió 3 cánh sử dụng hộp số có độ ồn cao hơn turbine
sử dụng máy phát điện nam châm vĩnh cửu không dùng hộp số.
Độ ồn phát sinh ngoài yếu tố thiết kế và sản xuất còn lệ thuộc vào mật độ của
không khí, tốc độ gió và độ cao của hệ thống cánh quạt. Độ ồn thông thường tại tâm
hệ thống cánh của turbine điện gió có công suất từ 2 đến 3 MW ở khoảng 98 đến
109 dB.
+ Ảnh hưởng đến các loài chim và động vật.
Những turbin gió ảnh hướng đến động động vật tại nơi đó, ít nhiều thay đổi
tập quán sinh sống, luồn di cư của đàn chim.
+Ảnh hưởng đến sóng vô tuyến.
Tua-bin điện gió có lớp sơn bảo vệ mờ không bị phản chiếu ánh sáng nhưng
vẫn bị nhiễu (interference) do phản chiếu sóng điện từ (electromagnetic waves) của
sóng phát thanh truyền hình và truyền thanh không dây cũng như sóng của mạng
thông tin di động và chủ yếu là những hệ thống analog.
13
Tuy nhiên sự can nhiễu này rất thấp và không đáng kể, đặc biệt là đối với
cánh quạt của những tua-bin điện gió hiện đại được thiết kế bằng vật liệu gần như
không tác động vào sóng vô tuyến.
+ Ảnh hưởng đến đường hàng không.
Tua-bin điện gió có thể được cho là nguyên nhân gây trở ngại cho đường
hàng không, đặc biệt là gây can nhiễu đến hệ thống thông tin lưu động hàng không.
Thông thường trong bán kính khỏang 10 km tính từ trung tâm của sân bay, việc xây
dựng Cánh đồng điện gió phải có sự đồng ý của cơ quan quản lý hàng không.
Tuy nhiên dù Cánh đồng điện gió được xây dựng tại bất kỳ nơi nào, mỗi trụ
tua-bin điện gió lắp đặt phải có đèn tín hiệu luôn luôn họat động hòan chỉnh, vì thế
những ánh đèn tín hiệu này có thể gây ra cảm giác khó chịu khi khoảng cách nhất
định đến khu dân cư ít hơn 300 mét.
+ Ảnh hưởng đến sức khỏe con người.
Tua-bin điện gió được lắp đặt tại những nơi xa sự họat động của con người
nên ngoài tai nạn có thể xảy ra với nguời lao động làm việc hoặc trong Cánh đồng
điện gió không ảnh hưởng đến sức khỏe của con người.
Thế nhưng cánh đồng điện gió có thể là những nơi tham quan thú vị nên một
số ảnh hưởng dù nhỏ vẫn có thể xảy ra vẫn phải đề cập đến như khả năng cánh quạt
bị gẫy.
-
Khả năng cánh quạt bị gẫy.
Khi tua-bin điện gió họat động, cánh quạt có thể bị gẫy do những nguyên
nhân như bị sét đánh trực tiếp vào thân cánh, hoặc khi do lỗi thiết kế thiếu chính xác
về dung sai độ cong của cánh quạt và vật liệu kém chất lượng, hoặc khi cánh quạt
họat động ở tốc độ gió cao bị cong đụng vào thân trụ, hoặc do độ bền mỏi của vật
liệu cánh quạt không đáp ứng yêu cầu kỹ thuật, hoặc khi cánh quạt quay mất thăng
bằng và tần số rung của hệ thống cánh quạt và trụ bị cộng hưởng.
