Luận văn thạc sĩ: Kết hợp năng lượng gió và mặt trời trong lưới điện Microgrid

Luận văn nghiên cứu mô hình kết hợp năng lượng gió và mặt trời trong microgrid. Bao gồm phân tích, tính toán và mô phỏng chi tiết toàn bộ hệ thống.

• Tác giả: Huỳnh Văn Dũng
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện
• Đề tài: Kết hợp năng lượng gió và năng lượng mặt trời trong lưới điện Microgrid
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Microgrid Và Năng Lượng Tái Tạo

Microgrid là một hệ thống lưới điện phân tán quy mô nhỏ, kết hợp nhiều nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng gió và năng lượng mặt trời. Đây là giải pháp hiện đại để cung cấp điện ổn định cho các khu vực biệt lập hoặc hỗ trợ lưới điện chính. Việc kết hợp hai nguồn năng lượng này giúp tối ưu hóa hiệu suất phát điện, giảm phụ thuộc vào nguồn năng lượng truyền thống, và cải thiện độ tin cậy của hệ thống điện. Tại Việt Nam, với điều kiện địa lý đa dạng, tiềm năng phát triển microgrid kết hợp gió-mặt trời là rất lớn, đặc biệt ở các vùng ven biển và miền núi có gió mạnh và nắng dồi dào.

1.1. Khái Niệm Và Cấu Trúc Microgrid

Microgrid bao gồm các phần tử chính: các nguồn phát điện tái tạo (turbine gió, pin mặt trời), bộ lưu trữ năng lượng (pin axit chì), bộ nghịch lưu để chuyển đổi dòng điện, và hệ thống điều khiển thông minh. Cấu trúc này cho phép microgrid hoạt động độc lập hoặc kết nối với lưới chính, tùy theo nhu cầu cung cấp điện.

1.2. Ưu Điểm Của Hệ Thống Kết Hợp Gió Mặt Trời

Kết hợp năng lượng gió và mặt trời giúp bù trừ sự biến động của từng nguồn. Khi trời mưa, gió mạnh nhưng nắng yếu thì turbine gió sẽ phát hơn; ngược lại, khi trời nắng nóng nhưng không có gió thì pin mặt trời sẽ đảm nhận vai trò chính. Điều này nâng cao độ ổn định và hiệu suất của toàn hệ thống.

II. Turbine Gió Và Hệ Thống Chuyển Đổi Năng Lượng

Turbine gió là thiết bị chuyển đổi động năng của gió thành điện năng thông qua máy phát điện. Công suất của turbine phụ thuộc vào tốc độ gió, diện tích cánh quạt, và hiệu suất chuyển đổi. Có nhiều loại turbine gió khác nhau, từ tốc độ cố định đến tốc độ thay đổi, mỗi loại có ưu và nhược điểm riêng. Tại Việt Nam, các vùng ven biển như Đà Nẵng, Quảng Trị có tiềm năng phát triển turbine gió công suất nhỏ rất lớn. Máy phát điện PMSG (Permanent Magnet Synchronous Generator) được sử dụng phổ biến trong hệ thống turbine gió vì có hiệu suất cao, độ tin cậy tốt.

2.1. Nguyên Lý Hoạt Động Turbine Gió

Gió tác động lên cánh quạt của turbine, gây ra mô men xoay. Mô men này truyền đến rotor của máy phát, chuyển năng lượng cơ học thành năng lượng điện. Công suất phát điện được tính dựa trên công thức: P = ½ × ρ × A × v³ × Cp, trong đó ρ là mật độ không khí, A là diện tích quét, v là tốc độ gió, Cp là hệ số hiệu suất.

2.2. Máy Phát Điện Đồng Bộ Nam Châm Vĩnh Cửu

PMSG là loại máy phát sử dụng nam châm vĩnh cửu tạo từ trường, không cần cấp điện từ. Ưu điểm: không tổn hao điện trên rotor, hiệu suất cao, kích thước nhỏ gọn. PMSG được kết nối với bộ điều khiển điện tử để chuyển dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều, sau đó sang lại xoay chiều phù hợp với tần số lưới điện.

III. Pin Mặt Trời Và Hệ Thống Chuyển Đổi Điện

Pin mặt trời (Solar Panel) chuyển năng lượng ánh sáng thành điện năng thông qua hiệu ứng quang điện. Ở Việt Nam, tiềm năng năng lượng mặt trời rất lớn với lượng bức xạ mặt trời trung bình 4-6 kWh/m²/ngày. Công suất của pin mặt trời phụ thuộc vào cường độ ánh sáng, nhiệt độ môi trường, và góc tới của ánh sáng. Bộ nghịch lưu (Inverter) là thành phần quan trọng, chuyển dòng điện một chiều từ pin mặt trời thành dòng điện xoay chiều để cung cấp cho tải hoặc đưa vào lưới điện. Hiện nay có hai loại bộ nghịch lưu chính: nguồn áp (VSI) và nguồn dòng (CSI).

3.1. Phương Trình Tương Đương Pin Mặt Trời

Pin mặt trời được mô hình hóa bằng mạch tương đương gồm: nguồn dòng quang (Iph), điôt (D), và các điện trở nối tiếp (Rs) và song song (Rsh). Phương trình dòng điện: I = Iph - I₀[exp(qV/nkT) - 1] - V/Rsh, trong đó Iph là dòng quang, I₀ là dòng ngược của điôt, q là điện tích, n là hệ số lý tưởng hóa.

3.2. Bộ Nghịch Lưu Kết Nối Lưới Điện

Bộ nghịch lưu kết nối lưới (Grid-Connected Inverter) có chức năng chuyển đổi và đồng bộ hóa điện từ pin mặt trời với lưới điện phân phối chính. Nó sử dụng các khóa công suất (IGBT, MOSFET) để điều khiển sóng điện. Phương pháp điều khiển chính: PWM (Pulse Width Modulation) để đạt hiệu suất tối ưu và giảm tổn hao điều hòa.

IV. Hệ Thống Lưu Trữ Năng Lượng Và Điều Khiển Microgrid

Pin lưu trữ năng lượng (Battery Storage) là thành phần thiết yếu trong microgrid, giúp cân bằng cung-cầu điện, lưu trữ năng lượng dư thừa từ gió và mặt trời. Pin axit chì (Lead-acid Battery) được sử dụng phổ biến do chi phí thấp, độ tin cậy cao, và công nghệ trưởng thành. Quá trình nạp (charge) và xả (discharge) của pin được điều khiển bởi bộ quản lý năng lượng thông minh (Energy Management System). Hệ thống hòa đồng bộ (Synchronization) giữa các máy phát gió, pin mặt trời là quyết định, đảm bảo các thông số điện: điện áp, tần số, thứ tự pha khớp nhau trước khi kết nối.

4.1. Nguyên Lý Hoạt Động Pin Axit Chì

Pin axit chì gồm: hai bản cực (dương & âm) làm từ chì, cục axit sulfuric làm chất điện giải. Khi xả, phản ứng hóa học tạo dòng điện; khi nạp, dòng điện từ ngoài đảo chiều phản ứng để tái tạo hóa chất ban đầu. Phương trình: PbO₂ + Pb + 2H₂SO₄ ⇌ 2PbSO₄ + 2H₂O (quá trình xả/nạp).

4.2. Hòa Đồng Bộ Hai Máy Phát Và Điều Khiển Microgrid

Hòa đồng bộ là quá trình điều chỉnh các thông số điện của hai hoặc nhiều máy phát để giống nhau trước khi song song. Các điều kiện: điện áp bằng nhau, tần số bằng nhau, thứ tự pha giống nhau, góc lệch pha nhỏ. Hệ thống điều khiển PLL (Phase-Locked Loop) được dùng để khóa tần số và đồng bộ pha. Bộ quản lý năng lượng phân bổ công suất giữa gió, mặt trời, pin dựa trên dự báo gió-nắng và yêu cầu tải.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu. Chương 2: T ng quan Chương 3: Khảo sát và tính toán HVTH: Huỳnh Văn Dũng Trang 5 Kết hợp năng lượng gió và mặt trời trong lưới điện Microgrid GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc Chương 4: Mô hình hóa và mô phỏng Chương 5: Kết luận và Hướng phát triển CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN 2.1 Năng lƣợng gió Việt Nam và tiềm năng phát triển 2.1 Năng lƣợng gió Việt Nam Tiềm năng về năng lượng gió Việt Nam chỉ vào loại trung bình. Hầu hết, các khu vực trên đất liền có năng lượng gió thấp khai thác không hiệu quả. Chỉ có một vài nơi, do có địa hình đặc biệt nên gió tương đối khá tuy nhiên công suất lại không lớn.

Chỉ dọc theo bờ biển và trên các hải đảo năng lượng gió tốt hơn. Nơi có nguồn năng lượng tốt nhất là đảo Bạch Long Vĩ, tốc độ trung bình năm đạt được từ 7. Tiếp đến là các khu vực đảo Trường Sa, Phú Quí, Côn Đảo. có tốc độ gió trong khoảng 4.

Tuy nhiên cũng nên nói thêm rằng tiềm năng năng lượng gió Việt Nam chưa được điều tra đánh giá đầy đủ vì phần lớn số liệu về năng lượng gió chủ yếu chỉ thu thập qua các trạm Khí tượng Thủy văn, tức chỉ đo ở độ cao từ 10m đến 12m trên mặt đất. Chúng ta đang thiếu số liệu về năng lượng gió ở các độ cao trên 40m. Hiện nay đang có khoảng 10 cột đo gió ở độ cao từ 30m đến 65m. Theo khảo sát gần đây nhất của IOE, Việt Nam có khoảng 31000km2 đất có thể đưa vào khai thác năng lượng gió, trong đó có 865km2 tương đương với 3572MW với điện có thể được tạo ra với giá thành ít hơn 6UScents/kWh.

Nghiên cứu cũng đã minh chứng được rằng năng lượng gió sẽ là giải pháp tốt cho khoảng 300.000 hộ cư dân nông thôn không có điện. Trong khi năng lượng gió có thể mang đến những lợi ích về môi trường, kinh tế, xã hội… Nhưng hiện nay lượng điện năng khai thác từ gió gần như là con số không. Nhà nước cũng chưa có chính sách hỗ trợ, khuyến khích nào cho năng lượng gió. Vì vậy, nhiệm vụ ưu tiên hàng đầu hiện nay là đặt mục tiêu cho phát triển năng lượng tái sinh và để tìm tòi nghiên cứu công nghệ mới phù hợp với Việt Nam.

HVTH: Huỳnh Văn Dũng Trang 6 Kết hợp năng lượng gió và mặt trời trong lưới điện Microgrid GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc Hình 2. 1 Gió trung bình hàng năm ở độ cao 65 m và 30m Những dự án năng lượng gió đã và đang triển khai tại Việt Nam: nhà máy phát điện sức gió đầu tiên ở Việt Nam phải kể đến là nhà máy đặt tại huyện đảo Bạch Long Vỹ, TP Hải Phòng. Công suất 800KW với vốn đầu tư 0.87 triệu USD (14 tỉ HVTH: Huỳnh Văn Dũng Trang 7 Kết hợp năng lượng gió và mặt trời trong lưới điện Microgrid GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc đồng). Như vậy, với giá bán điện 0.05USD/KWh (750VNĐ/KWh) thì thời gian hoàn vốn là 7 - 8 năm.

Thực tế cho thấy, mặc dù trong năm 2005, đã có 3 cơn bão lớn, tốc độ gió đều vượt qua cấp 12 nhưng turbine gió - phát điện vẫn vận hành an toàn. Nhà máy điện gió thứ 2 của cả nước đặt ở huyện đảo Lý Sơn (Quảng Ngãi) vận hành bằng sức gió, có kết hợp máy phát điện diesel với t ng công suất 7MW, t ng vốn đầu tư gần 200 tỷ đồng. Dự án được chia làm 3 giai đoạn: giai đoạn 1 được thực hiện trong hai năm 2007 và 2008 có công suất 2.5 MW, vốn đầu tư 80 tỷ đồng cung cấp cho 4000 hộ dân với gần 20000 nhân khẩu. Giai đoạn 2 nâng công suất lên 5MW thực hiện trong các năm 2008 -2009 và giai đoạn 3 được thực hiện trong các năm 2009 - 2012 sẽ công suất lên trên 10MW.

Nhiều dự án điện gió rất lớn với mục tiêu hòa vào lưới điện quốc gia vẫn đang được xúc tiến. Dự án xây dựng Nhà máy phong điện 3, tại khu kinh tế Nhơn Hội, tỉnh Bình Định với t ng vốn đầu tư hơn 35. Theo thiết kế, nhà máy được đầu tư xây dựng toàn bộ 14 turbine, 14 máy biến áp đồng bộ cùng các trang thiết bị và dịch vụ kèm theo. Sản lượng điện hằng năm của nhà máy hoà vào lưới điện quốc gia đạt khoảng 55 triệu kWh sau khi nhà máy đi vào hoạt động cuối năm 2008.

Hiện tại, nhà máy điện gió đang được xây dựng tại Bình Thuận với công suất khá lớn. Một dự án đầu tư rất lớn đang có thể trở thành hiện thực ở Việt Nam đó là xây dựng nhà máy điện gió có công suất phát điện 120 MW với vốn đầu tư 120 triệu USD (gần 2000 tỉ đồng) do tập đoàn EurOriont đầu tư chính. Để có một hình dung về con số này, hãy so sánh với thủy điện - thủy lợi Rào Quán ở Quảng Trị, vốn đầu tư 2000 tỉ đồng và công suất phát điện là 64 MW. Vậy, nhìn chung các dự án điện gió có suất đầu tư 1000USD/kW, khả năng thu hồi vốn trong vòng 10 năm, giá thành điện không cao 5UScents/kWh.

Theo dự báo đến năm 2010, suất đầu tư nguồn điện bằng sức gió chỉ còn khoảng 700- 800USD/kW, giá thành 3. Với quy mô nhỏ thì đặc biệt hữu ích cho vùng sâu, vùng xa và hải đảo. Với quy mô lớn thì thường được phát triển ở những vùng trống, khô cằn ở vùng Nam Trung bộ như Quảng Ngãi, Bình Định, Khánh Hòa, Bình Thuận. HVTH: Huỳnh Văn Dũng Trang 8 Kết hợp năng lượng gió và mặt trời trong lưới điện Microgrid GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc 2.2 Tiềm năng phát triển năng lƣợng gió công suất nhỏ tại Việt Nam Việt Nam hiện vẫn còn khoảng 4.5 triệu dân, đặc biệt các hộ vùng sâu, vùng xa, hải đảo… vẫn chưa có điện.

Theo quy hoạch phát triển mạng lưới điện thì dự kiến đến năm 2010, vẫn còn trên 1000 xã (trong t ng số hơn 9000 xã) đại diện cho 500000 hộ dân với dân số khoảng 3 triệu người vẫn chưa có lưới điện quốc gia. Như vậy, căn cứ vào t ng quan tình hình năng lượng và xu hướng phát triển của năng lượng gió phân tán trên thế giới mà ta đã phân tích ở trên, thì mô hình máy phát điện công suất nhỏ rất phù hợp với điều kiện Việt Nam. Sau đây là những lý do vì sao cần phải phát triển mô hình máy phát điện công suất nhỏ tại Việt Nam: - Có thể giải quyết được ngay nhu cầu điện chiếu sáng cho một phần đáng kể trong t ng số 4.5 triệu dân vùng sâu, vùng xa chưa có điện, đặc biệt là các cụm dân cư độc lập mà việc hòa lưới điện sẽ rất tốn k m và lâu dài. - Việt Nam có cả hàng ngàn km bờ biển, tập trung nhiều khu đô thị, cụm dân cư ven biển có nguồn gió phù hợp với mô hình máy phát điện nhỏ (vận tốc gió từ 2m/s- 6m/s).

Đối tượng này nếu được khai thác tốt sẽ làm giảm áp lực đáng kể lên lưới điện quốc gia. - Các hộ dân cư trên hàng ngàn đảo nhỏ ngoài khơi Việt Nam, tàu thuyền đánh cá nhỏ có thể tự chủ nguồn năng lượng cho chính mình với giá thành thấp hơn việc dùng máy phát diesel như hiện nay. - Chi phí đầu tư cho máy phát điện gió công suất nhỏ sẽ có giá thành rẻ hơn loại dùng tấm pin mặt trời có cùng công suất. - Có thể nhân rộng mô hình và sử dụng các nguồn nhiên liệu tại địa phương.

- Dễ bảo trì, sửa chữa, thời gian sử dụng lâu hơn loại dùng tấm pin mặt trời. - Các máy phát điện gió công suất nhỏ có thể hoạt động ở vận tốc gió thấp hơn so với các máy phát cỡ lớn. Việt Nam có tiềm năng về năng lượng gió khá lớn so với các nước trong khu vực, điều này là một thuận lợi lớn. Việc đánh giá đúng mức chế độ gió và phát triển mô hình máy phát điện gió công suất nhỏ là hoàn toàn phù hợp với điều kiện kinh tế của Việt Nam hiện nay, phù hợp với xu thế phát triển của thế giới.

Vấn đề đặt ra ở HVTH: Huỳnh Văn Dũng Trang 9 Kết hợp năng lượng gió và mặt trời trong lưới điện Microgrid GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc đây là chúng ta sẽ lựa chọn mô hình nào máy phát điện gió nào để phù hợp cho điều kiện gió cũng như điều kịện kinh tế của Việt Nam.2 Tổng quan về hệ thống chuyển đổi năng lƣợng gió 2.1 Các thành phần của hệ thống chuyển đổi năng lƣợng gió Hình 2. 2 Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió kết nối lưới điện Hệ thống chuyển đ i năng lượng gió hiện đại bao gồm: - 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 đ i công suất lớn. Trong bài luận này chúng ta sẽ dùng loại turbine này vì tính ph biến và khả năng lắp đặt trên cao (tránh các vật cản bên dưới) của chúng.

- Tháp đỡ: để có được nguồn gió lớn và n 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 tông hoặc th p, có tính toán 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 máy phát điện nam châm vĩnh cửu để mô phỏng do máy phát điện gió có công suất nhỏ. - Bộ biến đ i công suất: được sử dụng để hòa đồng bộ, điều khiển và bảo vệ máy phát kết nối lưới điện.

bộ biến đ i công suất chính là linh hồn của hệ thống chuyển đ i năng lượng kết nối lưới điện. HVTH: Huỳnh Văn Dũng Trang 10 Kết hợp năng lượng gió và mặt trời trong lưới điện Microgrid GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc - 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 đ i năng lượng gió hiện đại sẽ được trang bị các hệ thống điều khiển và giám sát máy phát.