Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu sử dụng năng lượng tại Việt Nam đang tăng trưởng nhanh chóng, với tốc độ tăng trưởng điện năng ước tính từ 15% đến 17% mỗi năm, trong khi nguồn năng lượng hóa thạch như than đá và dầu khí ngày càng suy giảm. Theo quy hoạch điện VII, tỷ trọng nhiệt điện than dự kiến tăng từ 35,1% năm 2015 lên 44,7% năm 2020 và 56,1% năm 2030, trong khi các nguồn năng lượng tái tạo chưa được khai thác hiệu quả. Đồng thời, gần 2 triệu hộ dân tại gần 1000 xã chưa được tiếp cận điện lưới trực tiếp, và tình trạng điện yếu, chập chờn vẫn phổ biến tại nhiều địa phương như Bà Rịa-Vũng Tàu. Trước thực trạng này, việc phát triển các hệ thống năng lượng tái tạo, đặc biệt là microgrid, trở nên cấp thiết nhằm đảm bảo cung cấp điện ổn định, giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng.

Luận văn tập trung nghiên cứu mô phỏng hệ thống DC microgrid công suất nhỏ hoạt động độc lập, cung cấp điện cho các nhóm tải tại Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh. Mô hình microgrid này bao gồm các nguồn năng lượng tái tạo như hệ thống pin mặt trời (PV), tua-bin gió (WES), máy phát điện và ắc quy lưu trữ, được mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink. Mục tiêu chính là xây dựng các mô hình toán học chi tiết cho từng thành phần, phát triển giải thuật điều khiển và quản lý năng lượng nhằm tối ưu hóa vận hành, đảm bảo cung cấp điện liên tục và hiệu quả. Nghiên cứu có phạm vi khảo sát trong điều kiện vận hành độc lập, không nối lưới, với dữ liệu tải thực tế từ các phòng ban trong trường đại học, giúp đánh giá khả năng ứng dụng thực tiễn của hệ thống.

Việc phát triển và mô phỏng hệ thống DC microgrid công suất nhỏ không chỉ góp phần nâng cao chất lượng điện năng cho các khu vực chưa có điện hoặc điện yếu mà còn hỗ trợ định hướng phát triển công nghiệp thông minh hóa lưới điện tại Việt Nam, đồng thời tạo nền tảng cho các dự án microgrid quy mô lớn hơn trong tương lai.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Hệ thống Microgrid: Microgrid là hệ thống lưới điện nhỏ, gần tải tiêu thụ, kết hợp các nguồn phát phân tán (DER) như PV, WES, máy phát điện và ắc quy. Microgrid có thể vận hành độc lập hoặc nối lưới, giúp tăng tính linh hoạt và ổn định cho hệ thống điện.

  • Mô hình toán học nguồn năng lượng tái tạo:

    • Mô hình pin mặt trời (PV) dựa trên đặc tuyến điện áp-dòng điện (V-I) và công suất-dòng điện (P-V), tính toán dựa trên các tham số như bức xạ mặt trời, nhiệt độ môi trường, điện trở nối tiếp và song song.
    • Mô hình tua-bin gió (WES) sử dụng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG), mô phỏng công suất gió theo tốc độ gió và góc cánh quạt, với hiệu suất chuyển đổi công suất phụ thuộc vào hệ số tốc độ tip và góc cánh.

  • Thuật toán điều khiển và quản lý năng lượng:

    • Thuật toán MPPT (Maximum Power Point Tracking) sử dụng phương pháp Incremental Conductance (INC) để theo dõi điểm công suất cực đại của PV, tối ưu hóa công suất thu được trong điều kiện biến đổi bức xạ và nhiệt độ.
    • Bộ biến đổi DC-DC hạ áp (buck converter) và nâng áp dạng Push-pull converter được điều khiển bằng bộ điều khiển PI/PID để duy trì điện áp ổn định và chuyển đổi điện áp phù hợp cho các thành phần trong hệ thống.
    • Bộ nghịch lưu ba pha ba bậc với cấu trúc diode kẹp NPC (Neutral Point Clamped) được sử dụng để cung cấp điện cho tải AC, kết hợp với bộ lọc công suất tích cực (Active Power Filter - APF) để xử lý tải không cân bằng.

  • Quản lý năng lượng: Giải thuật quản lý năng lượng được xây dựng nhằm tối ưu hóa việc sử dụng nguồn năng lượng tái tạo, bảo vệ ắc quy bằng cách giới hạn dòng nạp/xả, đồng thời đảm bảo cung cấp điện liên tục cho tải trong các chế độ vận hành khác nhau.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu:

    • Dữ liệu tải tiêu thụ thực tế được thu thập từ ba phòng ban tại Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh, gồm phòng cung cấp điện, phòng quản lý vườn ươm và phòng bộ môn thiết bị điện, với tổng công suất tải từ vài trăm đến hơn 2.000 W.
    • Thông số kỹ thuật của các thành phần PV, WES, máy phát điện và ắc quy được lấy từ tài liệu nhà sản xuất và các nghiên cứu chuyên ngành.

  • Phương pháp phân tích:

    • Xây dựng mô hình toán học chi tiết cho từng thành phần hệ thống trên phần mềm Matlab/Simulink.
    • Phát triển và tích hợp các thuật toán điều khiển MPPT, điều khiển bộ biến đổi DC-DC, bộ nghịch lưu và quản lý năng lượng.
    • Mô phỏng các chế độ vận hành khác nhau của hệ thống microgrid trong điều kiện độc lập, bao gồm chế độ ắc quy phóng điện, máy phát cung cấp tải và nạp ắc quy, PV và WES nạp ắc quy, và chế độ ắc quy nạp đầy khi nguồn tái tạo phát dư công suất.

  • Timeline nghiên cứu:

    • Thu thập và phân tích dữ liệu tải: 2 tháng
    • Xây dựng mô hình toán học và thuật toán điều khiển: 4 tháng
    • Mô phỏng và đánh giá kết quả trên Matlab/Simulink: 3 tháng
    • Tổng hợp, thảo luận và hoàn thiện luận văn: 3 tháng

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu:

    • Dữ liệu tải được ghi nhận trong vòng 24 giờ với tần suất ghi mỗi giờ, tổng cộng 24 điểm dữ liệu cho mỗi tải.
    • Lựa chọn các thành phần hệ thống dựa trên công suất phù hợp với tải khảo sát và khả năng ứng dụng thực tế tại khu vực nghiên cứu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả mô phỏng hệ thống PV và thuật toán MPPT INC:

    • Mô hình PV phản ánh chính xác đặc tuyến V-I và P-V dưới các điều kiện bức xạ và nhiệt độ khác nhau, với công suất tối đa đạt gần 1 kW tại bức xạ 1000 W/m² và nhiệt độ 25°C.
    • Thuật toán MPPT INC giúp theo dõi điểm công suất cực đại hiệu quả, duy trì công suất đầu ra ổn định khi bức xạ thay đổi, giảm sai số công suất dưới 3% so với giá trị lý thuyết.

  2. Mô hình tua-bin gió và máy phát điện PMSG:

    • Công suất tua-bin gió mô phỏng đạt giá trị tối đa khoảng 500 W tại tốc độ gió 12 m/s, phù hợp với đặc tính kỹ thuật của tua-bin trục ngang.
    • Mô hình PMSG thể hiện mối quan hệ tuyến tính giữa mô-men điện từ và tốc độ quay rotor, đảm bảo khả năng điều khiển chính xác trong hệ thống microgrid.

  3. Điều khiển bộ biến đổi DC-DC và bộ nghịch lưu NPC:

    • Bộ biến đổi buck và Push-pull converter duy trì điện áp DC bus ổn định ở mức 48 V và 400 V tương ứng, với sai số điện áp dưới 2% trong các chế độ vận hành.
    • Bộ nghịch lưu NPC ba pha ba bậc cung cấp điện áp AC ổn định cho tải, đồng thời bộ lọc công suất tích cực (APF) xử lý hiệu quả các trường hợp tải không cân bằng, giảm hài hòa dòng điện xuống dưới 5%.

  4. Quản lý năng lượng và vận hành hệ thống microgrid:

    • Giải thuật quản lý năng lượng tối ưu hóa việc sử dụng nguồn năng lượng tái tạo, bảo vệ ắc quy bằng cách giới hạn dòng nạp/xả, đảm bảo trạng thái sạc (SOC) của ắc quy luôn trong khoảng an toàn (20%-80%).
    • Hệ thống cung cấp điện liên tục cho tải trong các chế độ vận hành khác nhau, với tỷ lệ đáp ứng tải đạt trên 99% trong mô phỏng 24 giờ.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống DC microgrid công suất nhỏ có khả năng vận hành ổn định và hiệu quả trong điều kiện độc lập, phù hợp với các khu vực chưa có điện hoặc điện yếu. Việc áp dụng thuật toán MPPT INC giúp khai thác tối đa công suất từ nguồn PV, trong khi mô hình tua-bin gió và máy phát điện bổ sung nguồn năng lượng linh hoạt. Bộ biến đổi DC-DC và bộ nghịch lưu NPC được điều khiển chính xác, đảm bảo điện áp và dòng điện phù hợp với yêu cầu tải.

So sánh với các nghiên cứu trong ngành, kết quả này tương đồng với các mô hình microgrid đã được triển khai tại các nước có điều kiện khí hậu tương tự, đồng thời giải quyết hiệu quả vấn đề tải không cân bằng nhờ bộ lọc công suất tích cực. Giải thuật quản lý năng lượng giúp kéo dài tuổi thọ ắc quy và đảm bảo cung cấp điện liên tục, điều này rất quan trọng trong các hệ thống độc lập.

Dữ liệu mô phỏng có thể được trình bày qua các biểu đồ đặc tuyến V-I, P-V của PV, biểu đồ công suất tua-bin gió theo tốc độ gió, biểu đồ điện áp DC bus và AC tải theo thời gian, cũng như biểu đồ trạng thái sạc ắc quy (SOC) trong suốt quá trình vận hành. Bảng tổng hợp các thông số kỹ thuật và kết quả mô phỏng cũng giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của từng thành phần.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai thử nghiệm thực tế hệ thống DC microgrid công suất nhỏ

    • Thực hiện lắp đặt hệ thống tại các khu vực có điện yếu hoặc chưa có điện, sử dụng các thành phần đã mô phỏng để đánh giá hiệu quả thực tế.
    • Thời gian: 12 tháng
    • Chủ thể: Các trường đại học, viện nghiên cứu và doanh nghiệp năng lượng tái tạo.

  2. Phát triển giải thuật quản lý năng lượng nâng cao

    • Nghiên cứu tích hợp trí tuệ nhân tạo và học máy để tối ưu hóa quản lý năng lượng, dự báo tải và điều chỉnh nguồn phát tự động.
    • Thời gian: 18 tháng
    • Chủ thể: Các nhóm nghiên cứu chuyên sâu về điều khiển và quản lý năng lượng.

  3. Mở rộng mô hình microgrid sang hệ thống hybrid DC-AC

    • Nghiên cứu kết hợp hệ thống DC microgrid với lưới điện AC hiện có, phát triển các giải pháp chuyển đổi và điều khiển linh hoạt.
    • Thời gian: 24 tháng
    • Chủ thể: Các tổ chức nghiên cứu và nhà cung cấp thiết bị điện tử công suất.

  4. Đào tạo và nâng cao nhận thức cộng đồng về năng lượng tái tạo và microgrid

    • Tổ chức các khóa đào tạo, hội thảo cho kỹ sư, sinh viên và người dân về lợi ích và vận hành hệ thống microgrid.
    • Thời gian: liên tục
    • Chủ thể: Các trường đại học, cơ quan quản lý nhà nước và tổ chức phi chính phủ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật điện, Năng lượng tái tạo

    • Học tập kiến thức chuyên sâu về mô hình hóa, điều khiển và quản lý hệ thống microgrid, áp dụng trong nghiên cứu và luận văn.

  2. Kỹ sư và chuyên gia phát triển hệ thống năng lượng tái tạo

    • Tham khảo các giải pháp điều khiển và quản lý năng lượng hiệu quả, áp dụng trong thiết kế và vận hành hệ thống microgrid thực tế.

  3. Nhà hoạch định chính sách và quản lý năng lượng

    • Hiểu rõ tiềm năng và thách thức của microgrid trong bối cảnh phát triển năng lượng tái tạo, từ đó xây dựng chính sách hỗ trợ phù hợp.

  4. Doanh nghiệp và nhà đầu tư trong lĩnh vực năng lượng sạch

    • Đánh giá khả năng ứng dụng và hiệu quả kinh tế của hệ thống microgrid công suất nhỏ, làm cơ sở cho các dự án đầu tư và phát triển sản phẩm.

Câu hỏi thường gặp

  1. Microgrid là gì và có ưu điểm gì so với lưới điện truyền thống?
    Microgrid là hệ thống lưới điện nhỏ, gần tải tiêu thụ, kết hợp các nguồn năng lượng phân tán và có thể vận hành độc lập hoặc nối lưới. Ưu điểm gồm tăng tính linh hoạt, giảm tổn thất truyền tải, nâng cao độ tin cậy và hỗ trợ tích hợp năng lượng tái tạo.

  2. Tại sao chọn hệ thống DC microgrid thay vì AC microgrid?
    DC microgrid giảm thiểu tổn thất chuyển đổi điện áp, phù hợp với các nguồn năng lượng DC như pin mặt trời và ắc quy, đồng thời đơn giản hóa thiết bị điều khiển, đặc biệt hiệu quả cho công suất nhỏ và tải DC.

  3. Thuật toán MPPT INC hoạt động như thế nào?
    Thuật toán Incremental Conductance (INC) theo dõi điểm công suất cực đại bằng cách so sánh độ dốc công suất theo điện áp, điều chỉnh điện áp hoạt động để duy trì công suất tối đa trong điều kiện biến đổi bức xạ và nhiệt độ.

  4. Làm thế nào để xử lý tải không cân bằng trong microgrid?
    Sử dụng bộ lọc công suất tích cực (Active Power Filter - APF) kết hợp với bộ nghịch lưu NPC giúp bù dòng và giảm hài hòa, đảm bảo điện áp và dòng điện cân bằng, nâng cao chất lượng điện năng.

  5. Giải thuật quản lý năng lượng giúp bảo vệ ắc quy như thế nào?
    Giải thuật giới hạn dòng nạp/xả, duy trì trạng thái sạc (SOC) trong khoảng an toàn, tránh phóng sâu hoặc nạp quá mức, từ đó kéo dài tuổi thọ và đảm bảo hiệu suất hoạt động của ắc quy.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công mô hình toán học và mô phỏng hệ thống DC microgrid công suất nhỏ hoạt động độc lập, bao gồm các thành phần PV, WES, máy phát điện và ắc quy.
  • Thuật toán điều khiển MPPT INC và quản lý năng lượng được phát triển giúp tối ưu hóa công suất thu được và bảo vệ hệ thống, đảm bảo cung cấp điện liên tục cho tải.
  • Kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống vận hành ổn định, hiệu quả trong điều kiện tải thực tế và các chế độ vận hành khác nhau.
  • Nghiên cứu góp phần tạo nền tảng cho việc ứng dụng microgrid tại các khu vực chưa có điện hoặc điện yếu, đồng thời hỗ trợ phát triển công nghiệp thông minh hóa lưới điện tại Việt Nam.
  • Đề xuất các hướng phát triển tiếp theo bao gồm thử nghiệm thực tế, nâng cao giải thuật quản lý và mở rộng mô hình sang hệ thống hybrid DC-AC.

Để tiếp tục phát triển, các nhà nghiên cứu và kỹ sư được khuyến khích áp dụng mô hình và giải thuật trong thực tế, đồng thời phối hợp với các cơ quan quản lý để thúc đẩy chính sách hỗ trợ phát triển microgrid và năng lượng tái tạo.