(Luận văn thạc sĩ) mô hình hóa và điều khiển một hệ thống tích hợp năng lượng gió và năng lượng mặt trời

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
LƯƠNG SƠN KHỞI

MƠ HÌNH HĨA VÀ ĐIỀU KHIỂN MỘT HỆ THỐNG TÍCH HỢP
NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202

S K C0 0 4 6 3 5

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
LƢƠNG SƠN KHỞI

MƠ HÌNH HĨA VÀ ĐIỀU KHIỂN MỘT HỆ THỐNG TÍCH
HỢP NĂNG LƢỢNG GIÓ VÀ NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI

NGÀNH:KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202
Hướng dẫn khoa học:
PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015

i


LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:
Họ & tên: Lương Sơn Khởi

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh:15/12/1986

Nơi sinh: Ninh Thuận

Quê quán:Ninh Thuận

Dân tộc: Kinh

Địa chỉ liên lạc: 40 Trần Cao Vân, Phường Đô Vinh, Tp. Phan Rang Tháp
Chàm, Ninh Thuận
Điện thoại liên lạc: 0937.27.55.17
E-mail:
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Đại học:
Hệ đào tạo:

Chính qui

Thời gian đào tạo: từ 2006 đến 2011

Nơi học (trường, thành phố):

Trường ĐHSư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM

Ngành học:

Điện Công Nghiệp

Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: “Thiết kế và thi công thiết bị nâng
cao chất lượng điện năng”
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp:Trường Đại Học Sư
Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
Người hướng dẫn: TS. Trương Việt Anh
III. QUÁ TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT
NGHIỆP ĐẠI HỌC:
Thời gian

Nơi công tác

Công việc đảm nhiệm

Từ tháng 04 /2011

Cty cổ phần Dệt Texhong Việt

Trưởng ca xưởng sản

Nam

xuất

đến 12/2011
Từ tháng 12 /2011
đến 04/2014
Từ tháng 05/2014
đến nay

Cty cổ phần công nghệ Tiên
Phong
Cty truyền tải điện 4

Kỹ sư dự án
Nhân viên vận hành

Tp.Hồ Chí Minh, ngày tháng
Xác nhận của cơ quan

ii

năm 2015


LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2015

Lương Sơn Khởi

iii


LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên,tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy PGS.TS Nguyễn Hữu
Phúc, người đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tơi trong suốt q trình thực hiện
quyển luận văn này.
Xin cảm ơn các Thầy Cô đã cho em nền tảng kiến thức – tri thức q báu.
Xin cám ơn q Thầy Cơ trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM,
Khoa Cơ –Điện – Điện Tử, Phòng Quản Lý Khoa Học - Đào Tạo Sau đại học, tập
thể lớp 2012b và 2013b đã tạo cơ hội cho em thực hiện Luận văn này.
Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn cha mẹ và người thân đã luôn ở bên tôi
và động viên tôi rất nhiều để tơi hồn thành khóa học này.

Lương Sơn Khởi

iv


MỤC LỤC
Trang tựa

TRANG

Quyết định giao đề tài
Lý lịch cá nhân ................................................................................................. i
Lời cam đoan ................................................................................................... ii
Lời cảm ơn ...................................................................................................... iii
Tóm tắt............................................................................................................ iv

Mục lục .............................................................................................................v
Danh sách chữ viết tắt ......................................................................................x
Danh sách các hình ......................................................................................... xi
Danh sách các bảng ...................................................................................... xiv
CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU
1.1 Đặt vấn đề ...................................................................................................... 1
1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ ................................................................................... 3
1.3 Phạm vi nghiên cứu ...................................................................................... 4
1.4 Phƣơng pháp nghiên cứu ............................................................................. 4
1.5 Điểm mới của luận văn ................................................................................. 5
1.6 Giá trị thực tiễn của luận văn ...................................................................... 5
1.7 Nội dung của luận văn .................................................................................. 6
CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN
2.1 Microgrid và phát điện phân tán ................................................................. 7
2.2 Tổng quan về hệ thống chuyển đổi năng lƣợng gió .................................... 9
2.2.1 Các thành phần của hệ thống chuyển đổi năng lượng gió........................ 9
2.2.2 Các loại hệ thống chuyển đổi năng lượng gió ........................................ 10
2.2.2.1 Hệ thống turbine gió tốc độ cố định .................................................... 11
2.2.2.2 Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi, biến đổi tồn bộ cơng suất ....... 12
2.2.2.3Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi, biến đổi một phần công suất .... 13

vii


2.2.2.4Tổng quan về các kiểu turbine gió ....................................................... 14
2.3 Tổng quan về pin năng lƣợng mă ̣t trời .................................................... 15
2.3.1 Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng của tương lai ..................... 15
2.3.2 Cấu trúc kết nội các tấm pin mặt trời ................................................... 16
2.3.3 Các mơ hình kết nối lưới trong hệ thống điện mặt trời một pha .......... 19
2.4 Tổng quan về kết nối turbine gió và mă ̣t trời trong

lƣới điện Microgrid ..................................................................................... 21
CHƢƠNG 3: KHẢO SÁT VÀ TÍNH TỐN
3.1 Năng lƣợng gió và cơng suất turbine ....................................................... 23
3.1.1 Năng lượng gió ..................................................................................... 23
3.1.2 Hiệu suất turbine gió ............................................................................ 26
3.1.3 Đường cong hiệu suất turbine gió ........................................................ 29
3.1.4 Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG).......................... 32
3.2 Pin năng lƣợng mặt trời và phƣơng trình tốn của pin năng lƣợng
mặt trời ........................................................................................................ 35
3.2.1 Phương trình tương đương của pin năng lượng mặt trời ...................... 35
3.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến pin năng lượng mặt trời ............................. 36
3.2.3 Phương trình tương đương của bộ pin năng lượng mặt trời ................. 37
3.3 Mạch chỉnh lƣu .......................................................................................... 39
3.4 Mạch nghịch lƣu kết nối lƣới điện phân phối ......................................... 42
3.4.1 Phân loại bộ nghịch lưu ........................................................................ 42
3.4.2 Phương pháp điều khiển các khóa cơng suất trong bộ nghịch lưu
ng̀ n áp ........................................................................................................ 42
3.4.3 Phương pháp điề u khiể n khóa công suấ t trong bô ̣ nghich
̣ lưu
nguồ n dòng .................................................................................................... 47

viii


CHƢƠNG 4: MÔ HÌ NH HÓA & MÔ PHỎNG
4.1 Sơ đồ kết nối máy phát điện gió và bộ pin năng lƣợng mặt trời vào
lƣới điện phân phối. ................................................................................... 51
4.1.1 Khố i turbine gió và máy phát điện. .................................................... 52
4.1.2 Khối chỉnh lưu. ................................................................................... 55
4.1.3 Khối bộ pin năng lượng mặt trời ........................................................ 56

4.1.4 Khối nghịch lưu .................................................................................. 57
4.1.5 Khối lưới điện phân phối .................................................................... 58
4.1.6 Khối điều khiển pin NLMT ................................................................ 58
4.1.6.1 Nguyên lý hoạt động của khối MPPT ............................................. 60
4.1.7 Khối điều khiển máy phát điện gió .................................................... 65
4.1.7.1 Nguyên lý hoạt động khối MPPT của turbine gió .......................... 66
4.1.8 Khối điều khiển lưu trử năng lương (battery) .................................... 69
4.1.9 Khối phụ tải ........................................................................................ 70
4.2 Các khối chức năng.................................................................................. 70
4.2.1 Khối PI_V ........................................................................................... 70
4.2.2 Khối PLL ............................................................................................ 71
4.2.3 Khối DC/AC ....................................................................................... 71
4.2.4 Khối điều khiển Hysteresis (điều khiển bang-bang) .......................... 72
CHƢƠNG 5: KẾT QUẢ, KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN
5.1 Trƣờng hợp nghiên cứu và các kết quả ................................................ 73
5.1.1 Trường hợp nghiên cứu ...................................................................... 73
5.1.2 Kết quả mô phỏng nguồn DG nối lưới trong trường hợp nghiên
cứu đã xét đến .............................................................................................. 75
5.1.2.1 Kết quả mô phỏng nguồn DG – năng lượng mặt trời nối lưới ........ 76
5.2 Nhận xét và đánh giá ............................................................................... 82
5.3 Các vấn đề đƣợc thực hiện trong luận văn............................................ 83
5.4 Đề nghị và các hƣớng phát triển của luận văn ...................................... 84
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................... 85

ix


Mơ hình hóa và điều khiển một hệ thống tích hợp năng lượng gió & năng lượng mặt trời
GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU
1.1 Đặt vấn đề
Ngày nay, ngành cơng nghiệp điện đang có những bước tiến đột phá và phát
triển đồng bộ từ các khâu: sản xuất, truyền tải và phân phối, cũng như đưa ra các
phương thức vận hành và sử dụng điện sao cho hiệu quả, tiết kiệm. Đặc biệt với
hiệu ứng nóng lên của trái đất, sự cạn kiệt của các nguồn năng lượng hóa thạch, sự
bùng nổ tăng trưởng của các nước đang phát triển. Bên cạnh đó dân số ngày càng
tăng, ước tính đến năm 2050 khoảng 9.5 tỷ người, nhiệt độ trung bình của trái đất
có thể tăng lên 600C. Điều này dẫn đến yêu cầu bức thiết phải có những phương
thức mới trong việc cung cấp và sử dụng nguồn năng lượng sao cho giảm thiểu sự
phát thải khí CO2.
Để có thể đạt được các mục tiêu trên, chúng ta phải xây dựng một hệ thống điện
và phương thức vận hành, cũng như trong kinh doanh có khả năng cho phép chỉ ra
những nhà máy điện phải nâng cao hiệu suất, các loại nguồn năng lượng mới được
khuyến khích phát triển như năng lượng mặt trời, gió, khí sinh học.v.v..ở những địa
điểm thích hợp. Hệ thống mà chúng ta đang đề cập và phân tích đến là xây dựng mơ
hình và công nghệ điều khiển nối lưới cho lưới điện siêu nhỏ với các nguồn phát
điện phân tán (DG), đây cũng là một phần trong mục tiêu phát triển hệ thống điều
khiển lưới điện thông minh (Smart Grid). Hiện nay, ở một số quốc gia phát triển
như: Đức, Hoa Kỳ, Singapore..v.v đã triển khai và vận hành lưới điện siêu nhỏ với
các nguồn phát điện phân tán.
Mặt khác, để giải quyết các vấn đề này, một mặt chúng ta phải khai thác và sử
dụng các nguồn năng lượng hóa thạch này một cách hợp lý, mặt khác chúng ta phải
tìm ra các nguồn năng lượng khác để thay thế. Thế giới đang tìm kiếm các nguồn
năng lượng tái sinh có thể cung cấp năng lượng một cách bền vững trong tương lai,
nguồn năng lượng ấy có thể kể đến như: năng lượng gió, năng lượng sinh khối,

HVTH: Lương Sơn Khởi

Trang 1

Mơ hình hóa và điều khiển một hệ thống tích hợp năng lượng gió & năng lượng mặt trời
GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

năng lượng mặt trời… hoặc là nguồn năng lượng tái sinh khác. Trong đó cơng nghệ
về năng lượng mă ̣t trời đang đư ợc thế giới chú trọng phát triển để khai thác. Các
chính phủ đã đón nhận các công nghệ này một cách hết sức nghiêm túc và đưa ra
các mục tiêu đầy tham vọng cho sản lượng điện tạo ra từ các nguồn năng lượng tái
sinh trên. Người dân ngày càng ý thức về sự tàn phá và ô nhiễm môi trường từ các
nguồn nhiên liệu hoá thạch và năng lượng hạt nhân. Trong khi các nguồn năng
lượng tái sinh có thể khai thác tự do và không bao giờ cạn kiệt. Năng lượng mă ̣t trời
và năng lượng gió là một nguồn năng lượng sạch có thể thay thế các nguồn năng
lượng truyền thống. Các ứng dụng của nó tại các nước phát triển giúp làm giảm
hiệu ứng nhà kính và giữ gìn được các nguồn năng truyền thống đang cạn kiệt. Các
quốc gia đã và đang phát triển đều xem năng lượng mă ̣t trời và năng lượng gió là
nguồn năng lượng lý tưởng phù hợp với xu hướng phát triển mới của nhân loại,
được ưu tiên đầu tư hàng đầu trong các chính sách về năng lượng. Khi sử dụng năng
lượng tái tạo có những thuận lợi như sau :
- Giảm hay thay thế việc xây dựng các nhà máy điện truyền thống dùng năng
lượng hóa thạch.
- Làm giảm cơng suất truyền tải và tăng phát điện tại nơi tiêu thụ.
- Không gây ô nhiễm môi trường khi vận hành sản xuất điện năng.
- Là nguồn năng lượng không bao giờ cạn kiệt.
- Dễ dàng tăng thêm công suất khi cần thiết.
- Việc lắp đặt và xây dựng các tấ m pin năng lươ ̣ng mă ̣t trời , các turbin gió là
tương đối nhanh.
- Mặc dù năng lượng mă ̣t trời và gió hiện nay có giá đắt hơn nhiều so với nguồn
năng lượng truyền thống, nhưng nó khơng bị ảnh hưởng bởi giá nguyên liệu
và sự gián đoạn cung cấp.

- Ở các nước phát triển nhà nước hỗ trợ về thuế và các ưu đãi khác.
- Tạo ra nhiều công ăn việc làm hơn so với các nhà máy năng lượng khác, khi
cùng sản xuất ra một đơn vị năng lượng. Số người làm việc cho các trung tâm

HVTH: Lương Sơn Khởi

Trang 2


Mơ hình hóa và điều khiển một hệ thống tích hợp năng lượng gió & năng lượng mặt trời
GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

năng lượng gió trên khắp thế giới khoảng 100000 cơng nhân. Một Megawatt
điện gió cần từ 2.5 – 3.0 nhân công làm việc.
- Công nghệ năng lượng mă ̣t trời và gió có thể thay đổi cho nhiều ứng dụng có
cơng suất từ nhỏ đến lớn. Thời gian từ khi khảo sát đến lắp đặt và vận hành
ngắn và có những thuận lợi khác mà các nhà máy điện kiểu truyền thống
không làm được.
Hiê ̣n nay , năng lươ ̣ng mă ̣t t rời ở Viê ̣t Nam với lơ ̣i thế là mô ̣t n ước nhiệt đới có
nắ ng quanh năm nên rấ t có tiề m năng phát triể n năng lươ ̣ng mă ̣t trời . Bên cạnh đó,
năng lượng gió ở Việt Nam với lợi thế bờ biển trải dài 3260 km và gần 3000 hịn
đảo lớn nhỏ rất có tiềm năng. Tuy nhiên, viê ̣c khai thác năng lươ ̣ng mă ̣t trời và gió ở
nước ta còn nhiề u ha ̣n chế , mô ̣t phầ n là do nhà nước chưa có chin
́ h sách hỗ trơ ̣ thić h
hơ ̣p và cũng do giá thành các thiế t bi ̣chuyể n đổ i năng lươ ̣ng

tái tạo (mặt trời, gió)

thành điện cịn khá cao . Do vâ ̣y hiê ̣n nay ở nước ta chỉ có thể phát triể n các máy
điê ̣n năng lươ ̣ng mă ̣t trời , gió có cơng ś t vừa và nhỏ để cung cấ p cho các vùng

lưới điê ̣n không thể vươn đế n hoă ̣c chấ t lươ ̣ng điê ̣n không đảm bảo khi đi qua mô ̣t
khoảng cách địa lí khơng hồn thiện như các vùng nơng thơn

, biên giới , hải đảo ,

cũng như là những vùng có tốc độ gió trung bình thay đổi nhiều.
Ngồi ra, khi kinh tế bắ t đầ u phát triể n , viê ̣c phát triể n năng lươ ̣ ng sa ̣ch và bề n
vững ngày càng đươ ̣c chú tro ̣ng phát triể n . Theo xu hướng thiế t kế mơi trường xanh,
các tịa nhà đã được thiết kế theo hướng sử dụng ít hơn năng lượng từ lưới điện
phân phố i và dùng các tấ m pin mă ̣t trời để

tạo ra nguồn điê ̣n “xanh ” để cung cấ p

mô ̣t phầ n nhu cầ u cho công trình . Điề u này thúc đẩ y viê ̣c nghiên cứu chế ta ̣o các bô ̣
chuyể n đổ i năng lươ ̣ng mă ̣t trời công suấ t vừa và nhỏ có khả năng kế t nố i lưới điê ̣n
để thu được công suấ t lớn nhấ t từ năng lươ ̣ng mă ̣t trời.
1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ
- Tìm hiểu về máy phát điện gió cơng suất nhỏ.
- Tìm hiểu về các bộ pin năng lượng mặt trời.
- Tìm hiểu về pin lưu trữ năng lượng nối lưới.

HVTH: Lương Sơn Khởi

Trang 3


Mơ hình hóa và điều khiển một hệ thống tích hợp năng lượng gió & năng lượng mặt trời
GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

- Xây dựng phương trình và giải thuật để tính tốn bộ chuyển đổi năng lượng.

- Xây dựng khối pin lưu trữ năng lượng (battery) nối lưới và bộ điều khiển để
ổn định điện áp hai đầu cực nút tải khi cắt microgrid ra khỏi lưới điện.
- Dùng phần mềm Matlab 7.12 mơ phỏng khi hịa năng lượng gió, mặt trời và
pin lưu trữ vào lưới điện phân phối.
1.3 Phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu khái quát về năng lượng mă ̣t trời và năng lượng gió.
- Nghiên cứu về các bộ pin năng lượng mặt trời công suất nhỏ.
- Nghiên cứu về máy phát điện gió cơng suất nhỏ.
- Nghiên cứu về mối quan hệ của các thông số trong bô ̣ pin năng lươ ̣ng mă ̣t trời
công suất nhỏ.
- Nghiên cứu về mối quan hệ của các thơng số trong máy phát điện gió cơng
suất nhỏ.
- Nghiên cứu về mối quan hệ truyền động trong máy phát điện gió cơng suất
nhỏ.
- Nghiên cứu bộ nghịch lưu cơng suất nhỏ một pha khi hịa vào lưới điện.
- Nghiên cứu phương pháp tính tốn bộ chuyển đổi nguồn DC-AC.
- Nghiên cứu tính tốn các thơng số khi hòa nguồn năng lượng tái tạo vào lưới
điện phân phối một pha.
- Nghiên cứu mơ hình pin nối lưới để đảm bảo ổn định điện áp nút kết nối.
- Đưa ra mơ hình mơ phỏng khi hịa nguồn năng lượng tái tạo vào lưới điện.
1.4 Phƣơng pháp nghiên cứu
- Thu thập tài liệu liên quan đến các vấn đề nghiên cứu.
- Nghiên cứu tổng quan về năng lượng mă ̣t trời và năng lượng gió.
- Nghiên cứu các thơng số ảnh hưởng đến hoa ̣t đô ̣ng của pin mă ̣t trời , máy phát
điện gió.
- Nghiên cứu và xây dựng mơ hình tốn học về mối quan hệ giữa các thông số
làm ảnh hưởng đến hiệu suất của bô ̣ pin năng lươ ̣ng mă ̣t trời công suất nhỏ.

HVTH: Lương Sơn Khởi

Trang 4


Mơ hình hóa và điều khiển một hệ thống tích hợp năng lượng gió & năng lượng mặt trời
GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

- Nghiên cứu và xây dựng mơ hình tốn học về mối quan hệ giữa các thơng số
làm ảnh hưởng đến hiệu suất của máy phát điện gió cơng suất nhỏ.
- Nghiên cứu các mơ hình hịa đồng bộ giữa nguồn năng lượng mă ̣t trời , nguồn
năng lượng gió và lưới điện. Ảnh hưởng của các thơng số khi hịa. Đề nghị mơ
hình tính tốn cụ thể.
- Sử dụng matlab xây dựng mơ hình mơ phỏng việc hịa đờ ng bơ ̣ bơ ̣ năng lươ ̣ng
tái tạo vào lưới điện phân phối, từ đó thiết kế và thi cơng mơ hình thực tế.
- Phân tích các kết quả nhận được và các kiến nghị.
- Đánh giá tổng quát toàn bộ bản luận văn. Đề nghị hướng phát triển của đề tài.
1.5 Điểm mới của luận văn
- Xây dựng hồn chỉnh mơ hình kết nối bơ ̣ năng lươ ̣ng mă ̣t trời

và máy phát

điện gió có cơng suất nhỏ trong lưới Microgrid hịa đồng bộ lưới điện quốc
gia.
- Tìm ra các thơng số ảnh hưởng đến việc hòa đồng bộ giữa các nguồn năng
lượng tái tạo và lưới điện quốc gia.
- Đưa ra giải thuật và chương trình mới để tính tốn bộ chuyển đổi nguồn năng
lượng tái tạo hịa vào lưới điện quốc gia.
- Góp phần tiết kiệm năng lượng của các hộ tiêu thụ điện cũng như cung cấp
thêm cho nguồn quốc gia một phần năng lượng.
1.6 Giá trị thực tiễn của luận văn
- Đóng góp một giải pháp quan trọng trong việc dần thay thế các nguồn năng

lượng hóa thạch bằng các nguồn năng lượng vô tận trong xu thế phát triển của
thế giới ngày nay.
- Đây là giải pháp rất khả thi để nâng cao chất lượng điện năng cho các vùng
sâu, vùng xa và xa trung tâm phụ tải. Tại các khu vực này do điều kiện địa lí
tự nhiên nên thường là các vùng cuối lưới điện nên điện áp không đảm bảo.
Việc dùng các bô ̣ năng lươ ̣ng mă ̣t trời

HVTH: Lương Sơn Khởi

kết hợp hay riêng rẻ cùng với năng

Trang 5


Mơ hình hóa và điều khiển một hệ thống tích hợp năng lượng gió & năng lượng mặt trời
GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

lượng gió là một giải pháp hữu hiệu để nâng cao ổn định điện áp cho các vùng
này.
- Nâng cao được hiệu suất cho bô ̣ năng lươ ̣ng mă ̣t trời công suất nhỏ.
- Làm tài liệu tham khảo và làm nền tảng để phát triển hướng cho các nghiên
cứu sau này.
- Ứng dụng rộng rãi việc sử dụng cùng lúc hai nguồn năng lượng tái tạo và lưới
điện quốc gia cho các hộ tiêu thụ điện.
- Giúp các nhà hoạch định chiến lược về nguồn năng lượng quốc gia có thêm
một hướng mới về việc phát triển nguồn năng lượng trong tương lai.
- Sử dụng làm tài liệu giảng dạy.
- Giúp cho các nhà thiết kế các tài liệu quan trọng trong tính tốn thiết kế bộ
chuyển đổi nguồn năng lượng táo tạo (mă ̣t trời và gió) hịa vào lưới điện.
1.7 Nội dung của luận văn

Chương 1: Giới thiệu.
Chương 2: Tổng quan
Chương 3: Khảo sát và tính tốn
Chương 4: Mơ hình hóa và mơ phỏng
Chương 5: Kết luận và Hướng phát triển

HVTH: Lương Sơn Khởi

Trang 6


Mơ hình hóa và điều khiển một hệ thống tích hợp năng lượng gió & năng lượng mặt trời
GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN
2.1Microgrid và phát điện phân tán.
Lưới điện siêu nhỏ (Microgrid - MG) là một hệ thống bao gồm các nguồn năng
lượng có cơng suất nhỏ và phát điện phân tán (Distributed Energy Resources –
DER) như: nguồn pin mặt trời, pin nhiên liệu, turbine gió, microturbine..vv. Ngồi
ra cịn 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 1 và hình 2, nhằm hướng đến
phát triển lưới điện thông minh và điều khiển nối lưới linh hoạt.

HVTH: Lương Sơn Khởi

Trang 7


Mơ hình hóa và điều khiển một hệ thống tích hợp năng lượng gió & năng lượng mặt trời

GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

2.2 Tổng quan về hệ thống chuyển đổi năng lƣợng gió
2.2.1 Các thành phần của hệ thống chuyển đổi năng lƣợng gió

Hình 2. 2 Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió cơ bản

HVTH: Lương Sơn Khởi

Trang 8


Mơ hình hóa và điều khiển một hệ thống tích hợp năng lượng gió & năng lượng mặt trời
GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

Hình 2. 3Cấu trúc bộ chuyển đổi năng lượng của hệ thống tuabin gió thay đổi
tốc độ
Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió hiện đại được chia làm 2 phần cơ bản đó
là cơ khí và điện nhưng bao gồm các bộ phận chi tiết sau:
- Turbine gió: có hai loại trục đứng và trục ngang. Turbine gió trục ngang với
ưu điểm hiệu suất cao, được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống chuyển đổi
công suất lớn.
- Tháp đỡ: Để có được nguồn gió lớn và ổn định người ta thường lấy gió trên
cao. Tháp đỡ dùng để nâng đỡ hệ thống turbine, máy phát, các bộ phận cơ
khí… cấu trúc tháp đỡ bằng bê tơng hoặc thép, có tính tốn tần số cộng hưởng
khi đưa hệ thống vào hoạt động.
- Hộp truyền động (Gear box): máy phát thường có tốc độ định mức khoảng
1000 đến 1500 rpm trong khi tốc độ của turbine gió chỉ khoảng 30-50 rpm. Vì
vậy hộp truyền động được dùng để tương thích cho tốc độ này.
- Máy phát điện: hầu hết các hệ thống kết nối với lưới điện đều sử dụng máy

phát đồng bộ hoặc máy phát cảm ứng. Một số hệ thống làm việc độc lập sử
dụng máy phát điện nam châm vĩnh cửu. Trong luận văn này chúng ta dùng

HVTH: Lương Sơn Khởi

Trang 9


Mơ hình hóa và điều khiển một hệ thống tích hợp năng lượng gió & năng lượng mặt trời
GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

máy phát điện nam châm vĩnh cửu để mơ phỏng do máy phát điện gió có cơng
suất nhỏ.
- Bộ biến đổi cơng suất: được sử dụng để hịa đồng bộ, điều khiển và bảo vệ
máy phát kết nối lưới điện. bộ biến đổi cơng suất chính là linh hồn của hệ
thống chuyển đổi năng lượng kết nối lưới điện.
- Thiết bị truyền tải, kết nối lưới điện: các máy biến áp được sử dụng để kết nối
lưới điện
- Hệ thống điều khiển, giám sát và bảo vệ: Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió
hiện đại sẽ được trang bị các hệ thống điều khiển và giám sát máy phát. Nhằm
tối ưu cơng suất nhận được từ gió, bảo vệ toàn hệ thống khỏi sự cố. Hệ thống
này bao gồm các cảm biến đo hướng gió, tốc độ gió được thiết kế làm việc với
mức an toàn và tin cậy cao để đảm bảo hệ thống làm việc an tồn. Trong luận
văn, hệ thống này có nhiệm vụ đo lường tốc độ gió nhằm để xác định cơng
suất ngõ ra cực đại đồng thời với tốc độ gió thu được. hệ thống sẽ cho phép
máy phát bắt đầu hoạt động khi lực tác động của gió thắng được lực ma sát
của các thành phần cơ khí và làm quay các cánh quạt gió. Khi vận tốc gió tăng
cao và vượt qua ngưỡng an tồn của máy phát thì thành phần bảo vệ sẽ thu các
cánh quạt gió lại và ngừng hoạt động của turbine gió đờ ng thời ma ̣ch bảo vê ̣
cũng ngắt máy phát điện gió ra khỏi lưới điện nhằm bảo v

ệ an toàn cho lưới

điê ̣n cũng như máy phát điê ̣n gió .
2.2.2 Các loại hệ thống chuyển đổi năng lƣợng gió
Turbine gió có thể vận hành ở tốc độ cố định (thông thường trong phạm vi
thay đổi 1% so với tốc độ đồng bộ) hoặc tốc độ thay đổi. Đối với turbine gió tốc độ
cố định, hệ thống máy phát được nối trực tiếp với lưới điện, do tốc độ làm việc
được cố định theo tần số lưới điện nên hầu như không thể điều khiển và do đó
khơng có khả năng hấp thu cơng suất khi có sự dao động tốc độ gió. Vì vậy, đối với
hệ thống turbine gió tốc độ cố định khi tốc độ gió có sự giao động sẽ gây nên sự dao
động công suất và làm ảnh hưởng đến chất lượng điện năng của lưới điện. Đối với

HVTH: Lương Sơn Khởi

Trang 10


Mơ hình hóa và điều khiển một hệ thống tích hợp năng lượng gió & năng lượng mặt trời
GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

turbine gió tốc độ thay đổi, vận tốc máy phát được điều khiển bởi thiết bị điện tử
công suất, theo cách này sự dao động công suất do sự thay đổi tốc độ gió có thể
được hấp thụ bằng cách hiệu chỉnh tốc độ làm việc của rotor và sự dao động công
suất gây nên bởi hệ thống chuyển đổi năng lượng gió vì thế có thể được hạn chế.
Như vậy, chất lượng điện năng do bị ảnh hưởng bởi turbine gió có thể được cải
thiện so với turbine gió tốc độ cố định.
Vì tốc độ quay của tuabin gió khá thấp nên cần được điều chỉnh theo tần số
điện điều này có thể được thực hiện theo hai cách; sử dụng hộp số hoặc thay đổi số
cặp cực từ của máy phát. Số cặp cực từ thiết lập vận tốc của máy phát theo tần số

lưới điện và hộp số điều chỉnh tốc độ quay của turbine theo vận tốc máy phát.
Trong phần này, các cấu hình hệ thống chuyển đổi năng lượng gió sau đây
được đề cập:
- Turbine gió tốc độ cố định với máy phát khơng đồng bộ.
- Turbine gió tốc độ thay đổi với máy điện nam châm vĩnh cửu hoặc máy phát
đồng bộ.
- Turbine gió tốc độ thay đổi với máy phát khơng đồng bộ cấp nguồn từ hai
phía.
2.2.2.1 Hệ thống turbine gió cố định

Hình 2. 4Hệ thống turbine gió tốc độ cố định

HVTH: Lương Sơn Khởi

Trang 11


Mơ hình hóa và điều khiển một hệ thống tích hợp năng lượng gió & năng lượng mặt trời
GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

Đối với turbine gió tốc độ cố định, máy điện nam châm vĩnh cửu được kết nối
trực tiếp với lưới điện, điện áp và tần số máy phát được quyết định bởi lưới điện
như hình 2.4
Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió tốc độ cố định thường làm việc ở hai tốc
độ cố định, điều này được thực hiện bằng cách sử dụng hai máy phát có định mức
và có số cặp cực từ khác nhau, hoặc cùng một máy phát nhưng có hai cuộn dây với
định mức và số cặp cực khác nhau. Thực hiện như vậy sẽ cho phép tăng cơng suất
thu được từ gió cũng như giảm tổn hao kích từ ở tốc độ gió thấp. Máy phát không
đồng bộ thường cho phép làm việc trong phạm vi độ trượt từ 1 – 2%, vì độ trượt lớn
hơn đồng nghĩa với tổn hao tăng lên và hiệu suất thấp hơn.

Mặc dù có cấu tạo đơn giản, vững chắc và độ tin cậy cao, song cấu hình này
có 3 nhược điểm chính:
- Khơng thể điều khiển công suất tối ưu.
- Do tốc độ rotor được giữ cố định nên ứng lực tác động lên hệ thống lớn khi
tốc độ thay đổi đột ngột.
- Khơng có khả năng điều khiển tích cực (Active control).
2.2.2.2 Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi biến đổi tồn bộ cơng suất
Cấu hình hệ thống này được trang bị một bộ biến đổi công suất đặt giữa stator
máy phát và lưới điện, máy phát có thể là máy phát khơng đồng bộ (IG) hoặc máy
phát đồng bộ (SG). Với cấu hình này, có thể điều khiển tối ưu cơng suất nhận được
từ gió, nhưng do phải biến đổi tồn bộ cơng suất phát ra nên tổn hao lớn.

HVTH: Lương Sơn Khởi

Trang 12


Mơ hình hóa và điều khiển một hệ thống tích hợp năng lượng gió & năng lượng mặt trời
GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

Hình 2. 5Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi biến đổi tồn bộ cơng suất
phát.
2.2.2.3 Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi biến đổi một phần cơng suất
Hệ thống bao gồm turbine gió được trang bị máy phát cấp nguồn từ hai phía
DFIG có stator được nối trực tiếp với lưới điện, trong khi đó rotor dây quấn được
nối thông qua một bộ biến đổi công suất dạng back to back như hình 2.5. Ngày nay,
cấu hình này trở nên rất thơng dụng do chỉ phải biến đổi một lượng 20 – 30% của
tồn bộ cơng suất phát nên tổn hao trong thiết bị điện tử cơng suất giảm xuống đáng
kể so với cấu hình biến đổi tồn bộ cơng suất phát.

Hình 2. 6 Hệ thống turbine gió thay đổi tốc độ với bộ biến đổi cơng suất phía
roto

HVTH: Lương Sơn Khởi

Trang 13


Mơ hình hóa và điều khiển một hệ thống tích hợp năng lượng gió & năng lượng mặt trời
GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

2.2.2.4 Tổng quan về các kiểu turbine gió
Có nhiều kiểu thiết kế khác nhau cho turbine gió, và được phân ra làm hai loại
cơ bản chính: Turbine gió trục ngang (HAWT) và turbine gió trục đứng (VAWT).
Các cánh quạt gió thường có các dạng hình dáng: cánh buồm, mái chèo, hình chén
đều được dùng để “bắt” năng lượng gió để tạo ra mơ men quay trục turbine, như
hình 2.7.
Turbine gió trục ngang (HAWT) có rơ to kiểu chong chóng với trục chính nằm
ngang. Số lượng cánh quạt có thể thay đổi, tuy nhiên thực tế cho thấy loại 3 cánh là
có hiệu suất cao nhất. HAWT có các thành phần cấu tạo nằm thẳng hàng với hướng
gió, cánh quạt quay được truyền động thông qua bộ nhông và trục. Loại turbine trục
ngang không bị ảnh hưởng bởi sự xáo trộn luồng khí (khí động học), nhưng yêu cầu
phải có một hệ thống điều chỉnh hướng gió bằng cơ khí để đảm bảo các cánh quạt
ln ln hướng thẳng góc với chiều gió.
Turbine gió trục đứng (VAWT) có cánh nằm dọc theo trục chính đứng. Loại
này khơng cần phải điều chỉnh cánh quạt theo hướng gió và có thể hoạt động ở bất
kỳ hướng gió nào. Việc duy tu bảo quản và duy trì vận hành rất dễ dàng vì các bộ
phận chính như máy phát, hệ thống truyền động đều được đặt ngay trên mặt đất.
Tuy nhiên nó cần có khơng gian rộng hơn cho các dây chằng chống đỡ hệ thống.

HVTH: Lương Sơn Khởi

Trang 14


Mơ hình hóa và điều khiển một hệ thống tích hợp năng lượng gió & năng lượng mặt trời
GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

Hình 2. 7 Cấu tạo turbine trục đứng và trục ngang
1. Chiều gió đến của HAWT

2. Đường kính rô to

3. Chiều cao của Hub

4. Cánh rô to

5. Hộp số

6. Máy phát

7. Vỏ

8. Tháp HAWT

9. Chiều gió phía sau rô to

10. Chiều cao rô to

11. Tháp VAWT

12. Độ cao kính xích đạo.

13. Cánh rơ to với gócbước cố định.

14. Nền rô to.

2.3Tổng quan về pin năng lƣợng mă ̣t trời
2.3.1 Năng lƣợng mặt trời là nguồn năng lƣợng của tƣơng lai
Với nhu cầu tiêu thụ điện năng trên thế giới ngày càng tăng cao, bên cạnh các
nguồn năng lượng điện truyền thống như thủy điện,nhiệt điện, điện hạt nhân con
người đã tìm ra và sử dụng các nguồn năng lượng điện mới như : địa nhiệt, gió,
sinh khối, thủy triều, pin nhiên liệu, năng lượng mặt trời (PV photo voltalic)…..

HVTH: Lương Sơn Khởi

Trang 15


Mơ hình hóa và điều khiển một hệ thống tích hợp năng lượng gió & năng lượng mặt trời
GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

Hình 2.8: Dự đốn các nguồn năng lượng sử dụng trong thế kỷ 21
(Trích nguồn: Renewable 2010 global status report )
Năng lượng mặt trời PV sử dụng ánh sáng mặt trời chuyển đổi thành điện năng
là nguồn năng lượng của tương lai do nó là nguồn năng lượng vơ tận vì ánh sáng
mặt trời có sẳn trong tự nhiên trong khi các nguồn năng lượng hóa thạch khác có thể
bị cạn kiệt.Việc sử dụng nguồn năng lượng này có ưu điểm là giảm chi phí bảo trì
bảo dưỡng hàng năm của hệ thống,không gây tiếng ồn và thân thiện với môi trường.
Trên thế giới trong những năm gần đây nguồn năng lượng PV được phát triển

và sử dụng rộng rãi do chính sách trợ giá của chính phủ các nước và sự ra đời của
các bộ nghịch lưu hiệu suất cao giúp kết nối hệ thống điện mặt trời và lưới điện
quốc gia một cách dễ dàng và nhanh chóng.
2.3.2 Cấu trúc kết nối các tấm pin mặt trời
Các tấm pin năng lượng mặt trời được kết nối với nhau theo các dạng sau:
Dạng mô đun:
Công suất nhỏ 50-400 walt. Kết nối với lưới một pha.Ưu điểm: Không có tổn
thất trong các mơ đun. Hiệu suất cao. Đơn giản hóa trong việc thay đổi cấu trúc của

HVTH: Lương Sơn Khởi

Trang 16


Mơ hình hóa và điều khiển một hệ thống tích hợp năng lượng gió & năng lượng mặt trời
GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

hệ thống do các mô đun tháo rời và kết nối nhanh chóng dễ dàng.Sản suất hàng
loạt.Nhược điểm: Chi phí lắp đặt cao. Hiệu suất trên tổng các mơ đun thấp

Hình 2.9: Cấu trúc dạng mơ đun
Dạng chuỗi:
Cơng suất 0.4 đến 2 Kw. Kết nối với lưới một pha. Linh kiện công suất cho bộ
nghịch lưu là IGBT hay MOSFET.Có ưu điểm: Khơng tổn thất trong các điốt chuỗi
MPPT riêng cho từng chuỗi.Năng suất tốt hơn do MPPT riêng.Chất lượng điện
năng tốt hơn.Giá thấp hơn có thể sản xuất hàng loạt.

Hình 2.10: Cấu trúc dạng chuỗi

HVTH: Lương Sơn Khởi

Trang 17