Nghiên cứu tác dụng việc tích hợp hệ thống tích trữ năng lượng dạng bánh đà kết hợp với năng lượng gió

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

HUỲNH PHÁT TRIỂN

NGHIÊN CỨU TÁC DỤNG VIỆC TÍCH HỢP HỆ THỐNG
TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG DẠNG BÁNH ĐÀ KẾT HỢP
VỚI NĂNG LƯỢNG GIÓ
Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện
Mã số: 60 52 51

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2015


i

CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. LÊ KỶ
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 1 : ...............................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 2 : ...............................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Cần Thơ ngày

tháng

năm 2015

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)
1. ..........................................................................
2. ..........................................................................
3. ..........................................................................
4. ..........................................................................
5. ..........................................................................
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 (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

BỘ MƠN QUẢN LÝ


ii

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên : HUỲNH PHÁT TRIỂN

MSHV: 12924352

Ngày, tháng, năm sinh: 10/04/1989

Nơi sinh: Bến Tre

Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện

Mã số : 60 52 50

TÊN ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU TÁC DỤNG VIỆC TÍCH HỢP HỆ THỐNG TÍCH
TRỮ NĂNG LƯỢNG DẠNG BÁNH ĐÀ KẾT HỢP VỚI NĂNG LƯỢNG GIÓ
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG
Mô phỏng và đánh giá hiệu quả của việc kết hợp giữa hệ thống tích trữ năng lượng
dạng bánh đà trong việc giúp nâng cao tính ổn định cho hệ thống điện gió trong hệ thống
điện cục bộ.
NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 07/07/2014
NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 08/05/2015
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS. LÊ KỶ
Tp. HCM, ngày
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

tháng

năm 2015

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

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


iii

LỜI CẢM ƠN
Trước tiên em xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Lê Kỷ, và các
thầy cô trong bộ môn Hệ thống điện-Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí
Minh, những người đã tận tình hướng dẫn, cung cấp những tài liệu quý giá và đã
giúp đỡ em trong quá trình nghiên cứu thực hiện luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô, những người đã giảng dạy và truyền đạt
cho em những tri thức khoa học giúp em trưởng thành trong suốt q trình theo học
cao học.
Vơ cùng biết ơn đến Cha, Mẹ và gia đình đã ln là chỗ dựa vững chắc về vật
chất lẫn tinh thần, đã tạo mọi điều kiện để con được học tập, trưởng thành cho đến
ngày hôm nay.
Xin gửi lời cảm ơn đến các Anh, Chị và bạn bè cùng lớp Thiết bị, mạng và
nhà máy điện khóa 04 (tại trường Đại học Cần Thơ) đã giúp đỡ tơi q trình học tập
và làm luận văn này.

Cần Thơ, tháng năm 2015

Huỳnh Phát Triển

iv

TĨM TẮT
Trong một hệ thống điện gió cục bộ (Isolate Wind Power System - IWPS) để
hạn chế ảnh hưởng của sự biến động công suất tác dụng khi mà nguồn cung cấp
cơng suất tác dụng chính từ các turbin điện gió (Wind Turbine Generator - WTG)
và tải khách hàng (Consumer Load - CL) luôn thay đổi, việc sử dụng một hệ thống
tích trữ năng lượng là vơ cùng quan trọng. Trong rất nhiều dạng tích trữ khác nhau
nhưng tích trữ dạng động năng là có nhiều ưu điểm hơn trong mạng điện cục bộ. Hệ
thống tích trữ năng lượng dạng bánh đà (Flywheel Energy Storage System - FESS)
là dạng tích trữ năng lượng dạng động năng, nó có thể chuyển đổi qua lại giữa năng
lượng điện và năng lượng cơ thông qua một máy điện và khối chuyển đổi công suất
với ưu điểm là có chu kỳ nạp xả cao trong thời gian ngắn. Trong mơ hình IWPS sẽ
khảo sát với một WTG, một CL, một máy điện đồng bộ (Synchronuos Machine SM) và một FESS. Hệ thống FESS sẽ tận dụng nguồn cơng suất dư thừa để tích trữ
và phát công suất lại cho hệ thống khi thiếu thông qua phương pháp điều khiển tần
số hệ thống. Kết quả mơ phỏng hệ thống sẽ trình bày các đồ thị về công suất các
phần tử, tần số, điện áp hệ thống, dòng điện các phần tử trong các trường hợp tải
thay đổi và tốc độ gió thay đổi.

ABSTRACT
In a isolate wind power system (IWPS) to limit the impact of fluctuations in
active power as the power supply from the main source of wind turbines genertor
(WTG) and consumer load are changed, the using an energy storage system are
extremely important. In many different forms but store kinetic energy is stored
format has many advantages over the local electricity network. Flywheel energy
storage system (FESS) is a form of energy storage kinetic form, it can convert
between electrical energy and mechanical energy through a electric machine and
power converter system with advantages of a high switching cycle in a short time.
IWPS will examine with a WTG, a (CL), a synchronous machine (SM) and a FESS.
The system will utilize excess capacity to store and release power for the system in

the absence of control FESS system through methods frequency control system.


v

Simulation results system will show the graph of the element capacity, frequency,
system voltage, current elements in the case of load change and wind speed changes.


vi

LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả
nêu trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất
kỳ cơng trình nghiên cứu nào khác.

Cần Thơ, ngày tháng

năm 2015

Huỳnh Phát Triển


vii

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ ............................................................................. ii
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ iii

TÓM TẮT ................................................................................................................... iv
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ vi
MỤC LỤC .................................................................................................................vii
PHỤ LỤC HÌNH ........................................................................................................ ix
PHỤ LỤC BẢNG ......................................................................................................xii
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ..........................................................................................xiii
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ........................................................................................1
1.1Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu ..........................................................1
1.2 Các hệ thống tích trữ năng lượng trong hệ thống điện ......................................1
1.3 Ý nghĩa của đề tài ..............................................................................................8
1.4 Mục tiêu nghiên cứu: .......................................................................................10
1.5 Phương pháp nghiên cứu: ................................................................................11
CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG ..........................................12
2.1 Giới thiệu. ........................................................................................................12
2.2 Năng lượng tích trữ trong bánh đà. .................................................................13
2.3

Các loại máy điện thường sử dụng cho hệ thống bánh đà: ........................17

2.4 Hệ thống chuyển đổi công suất và phương pháp điều khiển...........................19
2.4.1 Hệ thống chuyển đổi công suất .................................................................19
2.4.2 Phương pháp điều khiển máy điện AC .....................................................21
2.5 Những ứng dụng của hệ thống bánh đà. .........................................................24


viii

2.5.1 Ứng dụng liên quan chất lượng điện năng. ...............................................24
2.5.2 Ứng dụng liên quan trong ngành hàng không vũ trụ. ...............................26
CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG GIÓ ......................................................27

3.1 Loại tuabin gió có tốc độ thay đổi chỉnh lưu một phần. ................................. 27

3.1.1 Mơ hình tuabin gió với máy phát điện nguồn kép DFIG .........................29
3.2 Loại turbin điện gió có tốc độ cố định.............................................................33
3.1.1 Mơ hình turbin gió cho máy phát khơng đồng bộ ....................................34
3.3 Loại turbin điện gió có tốc độ thay đổi giới hạn. ............................................36
3.4 Loại turbin điện gió có tốc độ thay đổi chỉnh lưu tồn phần ..........................37
CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH SỰ KẾT HỢP GIỮA HỆ THỐNG TÍCH TRỮ NĂNG
LƯỢNG DẠNG BÁNH ĐÀ VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ ..........................................38
4.1 Đặc điểm mơ hình nghiên cứu.........................................................................38
4.2 Xây dựng mơ hình mơ phỏng của hệ thống máy phát điện gió và bánh đà ....39
4.3 Sơ đồ mô phỏng IWPS với FESS . ..................................................................45
4.3.1 Mơ tả và kích thước của FESS .................................................................46
4.3.2 Khi thay đổi năng lượng tích trữ của bánh đà. .........................................54
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN ..........................................................................................58
5.1 Đánh giá kết quả đạt được và ý nghĩa thực tiễn ..............................................58
5.1.1 Kết quả đạt được .......................................................................................58
5.1.2 Ý nghĩa thực tiễn.......................................................................................59
5.2 Hướng phát triển của đề tài .............................................................................59
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................61
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG .......................................................................................65


ix

PHỤ LỤC HÌNH
Hình 1.1: Các dạng tích trữ năng lượng trong hệ thống điện ............................ 2
Hình 1.2 Phân loại các loại cơng nghệ tích trữ theo sự phát triển và hồn thiện
của chúng.................................................................................................................. 3
Hình 1.3 So sánh cơng nghệ tích trữ dựa theo cơng suất vận hành. .................. 3

Hình 1.4 Các cơng nghệ tích trữ và độ ứng dụng của chúng ............................ 4
Hình 1.5 So sánh các cơng nghệ tích trữ dựa theo mật độ năng lượng. ............ 6
Hình 1.6 Hiệu suất của hệ thống tích trữ năng lượng điện trong một chu kỳ nạp
xả .............................................................................................................................. 7
Hình 1.7 So sánh cơng nghệ tích trữ theo chi phí đầu tư .................................. 7
Hình 1.8 Đồ thị cơng suất phụ tải được san bằng bởi tích trữ ........................... 9
Hình 1.9: Mơ hình hệ thống điện cục bộ và các khối điều khiển ...................... 11
Hình 2.1: Các thành phần cơ bản của hệ thống tích trữ năng lượng dạng bánh
đà………………………………………………………………………………… 14
Hình 2.2: Ứng suất xun tâm và ứng suất vịng trong hình trụ rỗng với tốc độ
gốc ω ....................................................................................................................... 16
Hình 2.3 : Máy điện đồng bộ ba pha dạng cực lồi ............................................ 17
Hình 2.4 Sơ đồ khối chuyển đổi cơng suất ............................................................ 20
Hình 2.5: Mạch chính của bộ nghịch lưu chuyển đổi AC-DC .......................... 21
Hình 2.6: Điện áp DC-link và điện áp chỉnh lưu của Diod ............................... 21
Hình 2.7: Sơ đồ cấu trúc khối điều khiển V/f cho động cơ PMSM .................. 22
Hình 2.8 Điều khiển bằng phương pháp SVPWM ............................................ 23
Hình 2.9: Mơ hình điều chế độ rộng xung......................................................... 24
Hình 3.1: Tuabin gió với máy phát điện nguồn kép DFIG ............................... 28


x

Hình 3.2: Hướng cơng suất DFIG tương ứng với tốc độ đồng bộ ωs ............... 29
Hình 3.3: Mối quan hệ giữa công suất và tốc độ cánh quạt ở nhiều cấp tốc độ
gió khác nhau ........................................................................................................... 30
Hình 3.4: Quan hệ Cp và λ ................................................................................ 32
Hình 3.5: Mơ hình tuabin gió ............................................................................ 32
Hình 3.6: Sơ đồ tua-bin gió vận tốc cố định ...................................................... 34
Hình 3.7: Mơ hình turbin gió có điều khiển góc pitch (beta). ........................... 35

Hình 3.8: Mối quan hệ giữa công suất cơ đầu ra của turbin và tốc độ gió ........ 36
Hình 3.9: Sơ đồ tua-bin gió tốc độ thay đổi giới hạn ........................................ 36
Hình 3.10: Sơ đồ turbin gió có tốc độ thay đổi chỉnh lưu tồn phần ................ 37
Hình 4.1: Mơ hình hệ thống điện gió cục bộ ..................................................... 38
Hình 4.2: Mơ hình hệ thống điện gió cục bộ sử dụng turbin gió DFIG. ........... 39
Hình 4.3 Mơ hình hệ thống gió cục bộ sử dụng máy phát IG và DL. ............... 40
Hình 4.4: Mơ hình tải giả và khối điều khiển .................................................... 41
Hình 4.5 Mơ phỏng hệ thống gió cục bộ sử dụng máy phát IG và tải giả thay đổi
trong Matlab . .......................................................................................................... 42
Hình 4.6: Cơng suất phát của turbin gió ............................................................ 42
Hình 4.7: Cơng suất của phụ tải khách hàng ..................................................... 43
Hình 4.8: Công suất phản kháng của máy phát đồng bộ ................................... 43
Hình 4.9: Cơng suất tiêu thụ của tải giả ............................................................ 43
Hình 4.10: Điện áp của hệ thống ....................................................................... 44
Hình 4.11: Dịng điện tiêu thụ tải khách hàng ................................................... 44
Hình 4.12: Tần số hệ thống ............................................................................... 44
Hình 4.13 Dịng điện tiêu thụ của tải giả ........................................................... 45


xi

Hình 4.14: Mơ hình hệ thống điện cục bộ (IWPS) và các khối điều khiển....... 45
Hình 4.15: Mơ phỏng hệ thống IWPS khi có FESS trong Matlab .................... 48
Hình 4.16: Sơ đồ tính cơng suất PREF bằng phương pháp điều khiển tần số
trong Matlab/Simulink. ............................................................................................ 49
Hình 4.17: Hệ thống điều khiển quá trình nạp xả của bánh đà. ........................ 50
Hình 4.18: Khối điều khiển VSC1 .................................................................... 50
Hình 4.19: Khối điều khiển VSC2 .................................................................... 51
Hình 4.20: Cơng suất turbin gió ........................................................................ 52
Hình 4.21: Cơng suất FESS ............................................................................... 52

Hình 4.22: Cơng suất phụ tải ............................................................................. 52
Hình 4.23: Cơng suất phản kháng phát ra từ SM .............................................. 53
Hình 4.24: Tần số hệ thống ............................................................................... 53
Hình 4.25: Điện áp hệ thống.............................................................................. 53
Hình 4.26: Dịng điện của turbin gió ................................................................. 53
Hình 4.27: Tốc độ máy phát ASM của hệ thống FESS. .................................... 54
Hình 4.28: Hệ thống IWPS sau khi giảm năng lượng tích trữ của bánh đà. ..... 55
Hình 4.29: Cơng suất turbin gió sau khi thay đổi cơng suất bánh đà ................ 55
Hình 4.30: Cơng suất FESS sau khi giảm năng lượng tích trữ của bánh đà ..... 56
Hình 4.31: Cơng suất phụ tải sau khi giảm năng lượng tích trữ của bánh đà ... 56
Hình 4.32: Tần số hệ thống sau khi giảm năng lượng tích trữ của bánh đà ...... 56
Hình 4.33: Tốc độ bánh đà trước và sau khi giảm năng lượng tích trữ của bánh
đà…………… ...........................................................................................................57


xii

PHỤ LỤC BẢNG

Bảng 2.1: Hệ số hình dạng K đối với các ứng suất phẳng khác nhau. .............. 15
Bảng 2.2 Trình bày về đặc tính của vật liệu chế tạo bánh đà khác nhau…… .. 16


xiii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
IWPS: Isolate Wind Power System
FESS: Flywheel Energy Storage System
WTG: Wind Turbine Generator
CL: Consumer Load

ASM: Asynchronuos Machine
SM: Synchronuos Machine
ASG: Asyschronuos Generator
DFIG: Double Fed Induction Generator
PID: Proportional, Integral and Derivative
PWM: Pulse Width Modulation
SVPWM: Space Vector Pulse Width Modulation
PMSM: Permanent Magnet Synchnuos Machine
PHS : Pumped Hydro Storage
CAES: Compressed Air Storage
ZERRA: Zeolite Battery Research Africa Project
RFB: Redox Flow Battery
HFB: Hydrid Flow Battery
SNG: Synthetic Natural Gas
DLC: Double Layer Capacitors
SMES: Supperconducting Magnetic Energy Storage
DOD: Depth Of Discharge
P FESS : Công suất tác dụng của FESS
P TAI : Công suất tác dụng của tải khách hàng
P GIO : Công suất tác dụng của turbin điện gió


1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Chương 1 trình bày tổng quan về vấn đề tích trữ năng lượng trong hệ thống
điện, so sánh các dạng tích trữ và sự kết hợp giữa hệ thống tích trữ năng lượng dạng
bánh đà kết hợp năng lượng điện gió trong hệ thống điện cục bộ, giải quyết những
vấn đề tồn tại và mở ra hướng giải quyết khi kết hợp giữa hai hệ thống đó nhằm đạt
mục tiêu đáp ứng những yêu cầu của hệ thống điện.

1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu
Hệ thống năng lượng là một hệ thống đóng vai trị quan trọng trong sự phát
triển về các lĩnh vực kinh tế, an ninh, sinh hoạt hằng ngày của người dân,… do đó
việc xây dựng và phát triển các nguồn năng lượng sạch mà nhất là nguồn năng
lượng tái tạo có thể kể đến như là năng lượng gió, năng lượng mặt trời. Đặc điểm
của các nguồn năng lượng này là khó tích trữ, khơng liên tục. Vì vậy, cần có một hệ
thống để có thể giải quyết được vấn đề trên.
Trong thời đại cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa hiện nay, sự phát triển của sản
xuất và đời sống đòi hỏi nhu cầu tiêu thụ điện năng ngày một tăng. Việc sử dụng
hiệu quả điện năng là cách để giải quyết những khó khăn của vấn đề năng lượng
đang đặt ra, trong đó tích trữ điện cũng là một giải pháp khả thi. Dù hiệu quả nhưng
không phải là “vô tận” nên điện năng có giá cả thay đổi tùy thuộc vào thời điểm sử
dụng, giá điện giờ thấp điểm sẽ rẻ hơn và ngược lại cao hơn nhiều trong những giờ
cao điểm. Việc tích trữ điện đã và đang được các kỹ sư cũng như các nhà khoa học
trên thế giới nghiên cứu, phát triển; nhiều cơng nghệ tích trữ điện ra đời và thực tế
đã đem lại hiệu quả.
1.2 Các hệ thống tích trữ năng lượng trong hệ thống điện
Các dạng tích trữ chủ yếu được chia thành năm nhóm chính, đó là tích trữ
dạng cơ năng, dạng năng lượng điện hóa, dạng hóa năng, dạng điện năng và dạng
nhiệt năng. Mỗi dạng tích trữ có các cơng nghệ riêng biệt của nó và được tóm tắt
qua bảng sau:


2

CÁC DẠNG TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG
TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

Dạng cơ năng
Thủy điện tích năng

Khí nén
Bánh đà

Dạng điện hóa
Pin thơng thường
(Chì axit, NiCd,
NiMH, Li, NaS)
Pin lưu lượng
(Dịng oxi hóa khử,
Dịng hỗn hợp)

Dạng hóa năng
Khí hydro,
Điện phân,Fuel
cell, SNG

Dạng điện năng Dạng nhiệt năng
Siêu tụ điện
Từ trường
siêu dẫn

Tích trữ nhiệt
muối nóng chảy
A-CAES

Hình 1.1 Các dạng tích trữ năng lượng trong hệ thống điện.
 So sánh các cơng nghệ tích trữ:
 So sánh cơng nghệ tích trữ theo sự phát triển và độ hồn thiện:
Các cơng nghệ tích trữ có thể được chia thành 3 loại theo sự phát triển của
chúng:

- Cơng nghệ hồn thiện: PHS và pin chì axit được đánh giá là các cơng nghệ
hồn thiện và đã đưa vào ứng dụng trong hơn 100 năm qua.
- Công nghệ đã phát triển: CAES, NiCd, NAS, ZEBRA, Li-ion, pin lưu
lượng, SMEG, bánh đà, tụ điện, siêu tụ điện, TES là những công nghệ đã phát triển.
Chúng mang tính thương mại cao và được ứng dụng nhiều trong thực tế, tuy nhiên
với các ứng dụng quy mơ lớn vẫn cịn chưa được phổ biến. khả năng cạnh tranh và
độ tin cậy của chúng vẫn cần được thử nghiệm và kiểm tra nhiều hơn bởi các ngành
công nghiệp điện và thị trường tiêu thụ.
- Công nghệ đang phát triển: pin nhiên liệu, pin Metal-air, năng lượng mặt
trời vẫn đang phát triển. Chúng không phát triển mạnh và toàn diện trên thị trường
mặc dù kỹ thuật tốt đã được nghiên cứu bởi các tổ chức khác nhau. Trong tương lai,
với sự lớn mạnh của công nghiệp sẽ tạo tiềm năng lớn cho sự tiên tiến của các công
nghệ này.


3

Hình 1.2 Phân loại các loại cơng nghệ tích trữ theo sự phát triển và hoàn
thiện của chúng [5].
 So sánh cơng nghệ tích trữ theo cơng suất vận hành:

Hình 1.3 So sánh cơng nghệ tích trữ dựa theo cơng suất vận hành [4].


4

Hình trên cho thấy PHS có khả năng thương mại cao với cơng suất và thời
gian xả lớn (có thể lên đến hơn 1000 MW) cung cấp năng lượng được trong vài giờ
đến vài ngày. Chúng tiện lợi khi được ứng dụng trong các hệ thống quản lý năng
lượng.

Bên cạnh đó, cạnh tranh với PHS là cơng nghệ CAESs với quy mơ lớn (cơng
suất tích trữ khoảng từ 10 – 500 MWh).
Các siêu tụ điện với cơng suất tích trữ và cơng suất phát khơng cao, chúng
thích hợp cho các ứng dụng có quy mơ nhỏ và khả năng đáp ứng nhanh trong thời
gian ngắn.
Những công nghệ cho phép hoạt động ở mức công suất và thời gian đáp ứng
trung bình như pin lưu lượng, SMES, CAES quy mơ nhỏ, bánh đà tốc độ cao và các
loại pin điện hóa.
 So sánh cơng nghệ tích trữ theo cơng suất vận hành với các ứng dụng
liên quan và thời gian xả:

Hình 1.4 Các cơng nghệ tích trữ và độ ứng dụng của chúng [5].
Các cơng nghệ tích trữ năng lượng điện nhằm phục vụ các mục đích liên
quan đến chất lượng điện năng, kết nối hệ thống điện và quản lý năng lượng. Dựa


5

biểu đồ trên, có thể thấy PHS và CAES là thích hợp nhất cho ứng dụng về quản lý
năng lượng với cơng suất tích trữ lớn và thời gian sử dụng lâu dài. Chúng có thể
được sử dụng để quản lý năng lượng cho các trạm phát có quy mơ lớn với công suất
trên 100MW.
Về độ tự xả, PHS và CAES thuộc nhóm cơng nghệ có độ tự xả thấp nhất nên
hiệu quả đem lại được đảm bảo (độ tự xả PHS từ 0-0,05%/ngày, CAES từ 0 10%/ngày). Các loại pin quy mơ lớn, pin lưu lượng,v.v thích hợp cho việc quản lý
năng lượng với quy mơ trung bình có cơng suất từ 10 - 100 MW.
Pin chì axit hữu dụng trong hầu hết các lĩnh vực, công suất định mức từ một
đến vài chục MW, thời gian xả ngắn trong vài phút. Ưu điểm của pin là có độ tự xả
thấp nhất trong những loại công nghệ khác (chỉ 5%/tháng).
Về đảm bảo chất lượng điện năng, hệ thống bánh đà quy mô lớn, siêu dẫn và
siêu tụ điện quy mơ cơng suất lớn là lựa chọn thích hợp do đáp ứng nhanh nhạy với

công suất cung cấp cho khả năng tiêu thụ cao. Tuy vậy, bánh đà và SMES có độ tự
xả lớn (bánh đà từ 3 -20%/giờ, SMES từ 10 -12%/ngày).
Là cầu nối với hệ thống năng lượng, các loại pin, pin lưu lượng, pin Metalair không chỉ có phản ứng nhanh trong thời gian chưa tới một giây, mà thời gian xả
tương đối dài (vài giờ), do đó chúng thích hợp cho việc kết nối hệ thống năng lượng
điện. Công suất tác dụng mà các hệ thống tích trữ này đáp ứng được khoảng 100kW
– 10 MW.
 So sánh cơng nghệ tích trữ theo mật độ năng lượng:
Xét theo mật độ năng lượng, pin Metal-air, NaS và Li-ion có kích thước nhỏ
và nhẹ, với dung lượng lớn trong phạm vi 70 – 500 kWh/ton và từ 150 – 800
kWh/m3, thích hợp cho các ứng dụng di động trong phương tiện giao thông và các
thiết bị cầm tay.


6

Hình 1.5 So sánh các cơng nghệ tích trữ dựa theo mật độ năng lượng [4].
Loại có khối lượng và kích thước lớn như bánh đà chỉ tiện lợi trong các hệ
thống năng lượng với quy mô lớn.
 So sánh công nghệ theo hiệu suất tổng thể:
Hiệu quả của công nghệ tích trữ được đánh giá thơng qua tỷ lệ giữa năng
lượng đầu ra và năng lượng đầu vào. Không kể đến tự xả, các kết quả có thể thấy từ
hình trên.
- Cơng nghệ có hiệu quả rất cao: SMES, bánh đà, siêu tụ, pin Li-ion là các
cơng nghệ có hiệu suất cao lên đến hơn 90%.
- Cơng nghệ có hiệu quả cao: PHS, CAES, các loại pin (trừ Li-ion), pin lưu
lượng và tụ điện thường có hiệu suất đạt từ 60 – 90%.


7

Hình 1.6 Hiệu suất của hệ thống tích trữ năng lượng điện trong một chu kỳ
nạp xả [4].
- Công nghệ có hiệu quả thấp: Hydrogen, pin Metal-air, năng lượng mặt trời,
TES có hiệu suất thấp hơn 60%, do chúng bị tổn hao nhiều trong việc chuyển đổi
qua lại từ điện xoay chiều sang hệ thống lưu trữ.
 So sánh công nghệ theo chi phí đầu tư:
Chi phí đầu tư ban đầu được xem là một trong những yếu tố quan trọng nhất
của việc ứng dụng các cơng nghệ tích trữ. Chi phí này được xét trên cùng một đơn
vị năng lượng qua hình sau:

Hình 1.7 So sánh cơng nghệ tích trữ theo chi phí đầu tư [4].


8

Với cùng một đơn vị năng lượng, chi phí ban đầu của các công nghệ như siêu
tụ điện, bánh đà quy mô lớn phải tiêu tốn là rất lớn, hơn 1000 $/kWh. Ở các mức
thấp hơn cùng thời gian sử dụng lâu hơn là các loại công nghệ: pin điện hóa, bơm
hydro, CAES, pin lưu lượng, v.v. Những cơng nghệ có chi phí ban đầu càng ít thì
càng đem lại hiệu quả quản lý năng lượng tốt hơn, theo đó thời gian đáp ứng càng
ngắn thì chất lượng nguồn năng lượng càng được đảm bảo.
Qua việc so sánh các công nghệ tích trữ, ta thấy rằng, muốn lựa chọn một
cơng nghệ tối ưu cần tính tốn và cân đối nhiều vấn đề liên quan như khả năng tích
trữ, cơng suất vận hành, mật độ năng lượng, độ tổn hao năng lượng, hiệu suất tổng
thể, độ ảnh hưởng đến môi trường và cả chi phí tổn hao.
Để có hiệu quả cao, các cơng nghệ tích trữ cần được áp dụng thích hợp cho
từng trường hợp như: trong lưới điện cô lập vùng sâu vùng xa, lưới điện có kết nối
với hệ thống điện hoặc các máy phát phân tán, v.v. Ngoài ra cần quan tâm đến đặc
điểm của nguồn điện được khai thác từ nhiên liệu tái tạo hay hóa thạch.
1.3 Ý nghĩa của đề tài

Chính tầm quan trọng trên của điện năng mà vai trị của tích trữ năng lượng
trong hệ thống điện vì thế mà trở nên cần thiết hơn, đặc biệt là trong hệ thống điện
cục bộ, khi lưới điện có kết nối với hệ điện và các nguồn máy phát phân tán.
Những quy mơ cần có tích trữ:
- Đối với nguồn phát điện có biến động mạnh: Tích trữ góp phần cải thiện sự
tham gia vào hệ thống điện của máy phát để sản xuất công suất phản kháng và tác
dụng theo yêu cầu nhằm đảm bảo sự hội nhập tốt hơn cho nguồn điện trong thị
trường mở cửa của năng lượng.
- Đối với hệ thống điện: Tùy theo tầm nhìn của các cơng ty điện mà phải có
những quyết định đầu tư hoặc biện pháp liên quan đến sản xuất dựa trên dự báo phụ
tải tương ứng.
+ Đối với sản xuất điện: tích trữ giúp
• Giảm chi phí đầu tư sản xuất


9

• Tăng lợi nhuận theo tỷ lệ năng lượng điện.

Hình 1.8 Đồ thị công suất phụ tải được san bằng bởi tích trữ [5].
Việc sử dụng tích trữ để giảm chi phí sản xuất nhằm san bằng đồ thị phụ tải
bằng cách phát năng lượng tích trữ được trong giờ cao điểm, khi mà giá điện đang ở
mức cao
+ Thu lợi từ hệ thống an toàn của mạng điện:
Năng lượng tích trữ được sử dụng cho phép đáp ứng nhanh các yêu cầu về
đảm bảo chất lượng, độ tin cậy cung cấp điện, đặc biệt trong những vùng cục bộ.
+ Đối với lưới truyền tải:
Tích trữ hỗ trợ cho lưới khi mức độ tác động do việc sử dụng và quản lý
năng lượng không hợp lý của người tiêu thụ và các công ty điện lực dẫn đến nguy
cơ sụp đổ hệ thống.

+ Đối với người tiêu dùng: Tích trữ là giải pháp để:
• Bảo đảm độ tin cậy cung cấp điện
• San bằng đồ thị phụ tải, giảm giá điện
• Thiết kế lưới điện phân phối tốt hơn
• Có thể chịu được thời gian cô lập năng lượng lâu dài
Đối với một mạng điện cục bộ thì chất lượng điện năng cung cấp cho hệ
thống được quan tâm đặc biệt, với những phân tích đối với từng đặc tính khác nhau


10

của những dạng tích trữ khác nhau thì bánh đà và siêu tụ điện và SMES với tốc độ
xả và nạp điện nhanh, độ xả sâu, tuổi thọ cao là thích hợp nhất.
Như vấn đề năng lượng ban đầu đặt ra, thì yếu tố mơi trường tác động khơng
nhỏ đến việc lựa chọn một cơng nghệ tích trữ phù hợp. Những cơng nghệ ít ảnh
hưởng đến mơi trường nhất thường do hệ thống tích trữ dạng cơ năng như bánh đà,
CAES.
Tác dụng của việc kết hợp hệ thống tích trữ và nguồn phát điện gió cục bộ là
khắc phục những hạn chế mà hệ thống điện gió gặp phải, do gió trong tự nhiên
khơng liên tục, do đó cơng suất cung cấp từ các turbin gió cho hệ thống cũng khơng
ổn định. Hệ thống tích trữ năng lượng sẽ đáp ứng công suất cho hệ thống nhằm cải
thiện chất lượng điện năng khi mà nguồn cơng suất từ điện gió không đáp ứng được
yêu cầu phụ tải điện, hay là nguồn cung cấp cơng suất tức thời để duy trì chất lượng
điện năng trong khi chờ nguồn phát có cơng suất lớn hơn. Đồng thời nó cũng sẽ lấy
năng lượng dư thừa trên hệ thống để nạp vào hệ thống tích trữ khi mà cơng suất hệ
thống dư thừa.
1.4 Mục tiêu nghiên cứu:
Để đánh giá rõ tác dụng của hệ thống tích trữ đối với nguồn điện gió trong hệ
thống cục bộ. Trong luận văn này sẽ cung cấp các trường hợp vận hành khác nhau
của hệ thống như: Trường hợp hệ thống khơng có hệ thống tích trữ, trường hợp có

hệ thống tích trữ và trường hợp sau khi thay đổi năng lượng của hệ thống tích trữ.
Bằng phương pháp điều khiển tần số hệ thống điện sẽ phân tích các thành
phần của hệ thống như điện áp, tần số, công suất, thời gian đáp ứng,…ở các trường
hợp khác nhau. Mơ hình hệ thống sẽ bao gồm các thành phần chính như turbin điện
gió, máy phát đồng bộ,máy phát diesel, hệ thống bánh đà, tải giả và phụ tải khách
hàng như Hình 1.9.


11

Máy phát Diesel
(DE)

Hệ thống
Kích từ

Máy phát
đồng bộ (SM)

M

M
SM

Turbin gió
(WTG)

M
PT,QT

Tải giả (DL)
f hệthống

PREF

M

Tính f

f ref

AC
DC

DC
AC

Tải khách hàng
(CL)

Hệ thống tích trữ dạng bánh đà (FESS)

Hình 1.9: Mơ hình hệ thống điện cục bộ và các khối điều khiển

1.5 Phương pháp nghiên cứu:
Mô hình được xây dựng và mơ phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink để
tìm ra đồ thị của các thành phần hệ thống như điện áp, dịng điện, tần số, cơng
suất,…
Từ những thành phần đo đạt được sẽ đánh giá và so sánh tác dụng của hệ
thống tích trữ khi qua các trường hợp khác nhau.