Luận văn thạc sĩ hcmute mô phỏng chất lượng điện trên lưới điện nhỏ mg trong trường hợp nguồn năng lượng mặt trời kết hợp với năng lượng gió làm việc với lưới điện

Khám phá phương pháp mô phỏng chất lượng điện trên lưới điện nhỏ MG kết hợp năng lượng mặt trời và gió, đánh giá hiệu quả và ổn định hệ thống.

• Tác giả: Nguyễn Hoài Việt
• 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: Mô Phỏng Chất Lượng Điện Trên Lưới Điện Nhỏ Với Năng Lượng Mặt Trời Và Gió
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Mô phỏng lưới điện và nguồn năng lượng tái tạo

Luận văn tập trung vào mô phỏng chất lượng điện trên lưới điện nhỏ (MicroGrid), đặc biệt trong trường hợp tích hợp nguồn năng lượng mặt trời và năng lượng gió. Nghiên cứu này đánh giá ảnh hưởng của các nguồn năng lượng tái tạo lên chất lượng điện năng, bao gồm điện áp lưới điện và ổn định lưới điện. Mô hình mô phỏng hệ thống điện được xây dựng nhằm phân tích hiệu quả của việc tích hợp nguồn năng lượng phân tán vào hệ thống điện hiện có. Mô phỏng năng lượng mặt trời và mô phỏng năng lượng gió là hai phần quan trọng trong việc đánh giá hiệu suất tổng thể của hệ thống.

1.1 Mô hình hóa nguồn năng lượng

Phần này tập trung vào việc mô hình hóa các nguồn năng lượng tái tạo, cụ thể là năng lượng mặt trời và năng lượng gió. Mô hình pin quang điện được sử dụng để mô tả quá trình chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng. Các đặc tính của điện mặt trời được mô phỏng chi tiết, bao gồm cả ảnh hưởng của cường độ ánh sáng và nhiệt độ. Mô hình máy phát điện gió mô tả quá trình chuyển đổi năng lượng gió thành điện năng. Các yếu tố như tốc độ gió, hiệu suất của tuabin gió, và đặc điểm của máy phát điện được xem xét. Kết quả mô phỏng năng lượng tái tạo được sử dụng làm đầu vào cho mô phỏng hệ thống điện.

1.2 Mô phỏng hệ thống MicroGrid

Luận văn trình bày mô hình MicroGrid được xây dựng trong môi trường MATLAB/Simulink. Mô hình này bao gồm các thành phần chính như nguồn năng lượng mặt trời, nguồn năng lượng gió, bộ nghịch lưu, phụ tải, và điểm kết nối với lưới điện chính (PCC). Mô phỏng hệ thống điện cho phép phân tích chất lượng điện năng ở các điều kiện hoạt động khác nhau, bao gồm cả chế độ hoạt động độc lập và chế độ kết nối lưới. Việc sử dụng MATLAB và Simulink giúp cho việc mô phỏng thời gian thực trở nên khả thi. Các tham số quan trọng như điện áp lưới điện, tần số lưới điện, và công suất được thu thập và phân tích.

II. Phân tích chất lượng điện năng

Phần này tập trung vào phân tích chất lượng điện năng của lưới điện nhỏ khi tích hợp nguồn năng lượng mặt trời và nguồn năng lượng gió. Các chỉ tiêu chất lượng điện năng được khảo sát bao gồm điện áp lưới điện, tần số lưới điện, và ổn định lưới điện. Phân tích lưới điện tập trung vào việc đánh giá ảnh hưởng của các nguồn năng lượng tái tạo lên chất lượng điện năng. Phân tích sự cố lưới điện cũng được thực hiện để đánh giá khả năng chịu đựng của hệ thống trước các sự cố như mất nguồn hoặc thay đổi đột ngột về tải.

2.1 Đánh giá điện áp và tần số

Điện áp lưới điện và tần số lưới điện là hai chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng điện năng. Luận văn phân tích sự biến đổi của điện áp và tần số trong các điều kiện hoạt động khác nhau của lưới điện nhỏ. Ảnh hưởng của sự thay đổi nguồn năng lượng tái tạo lên điện áp lưới điện và tần số lưới điện được đánh giá kỹ lưỡng. Phân tích hài điều điện áp cũng được thực hiện để đánh giá sự ổn định của hệ thống. Kết quả phân tích chất lượng điện năng cho thấy hiệu quả của việc tích hợp nguồn năng lượng tái tạo vào lưới điện nhỏ.

2.2 Ổn định hệ thống và quản lý năng lượng

Ổn định hệ thống điện là một yếu tố quan trọng khác cần được xem xét. Luận văn phân tích khả năng ổn định của lưới điện nhỏ khi tích hợp nguồn năng lượng tái tạo. Quản lý năng lượng đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì sự ổn định của hệ thống. Các chiến lược điều khiển lưới điện được xem xét để tối ưu hóa hiệu suất và ổn định của hệ thống. Giải pháp mô phỏng cung cấp cái nhìn tổng quan về cách thức hoạt động của hệ thống và các vấn đề tiềm ẩn. An toàn lưới điện cũng được đảm bảo thông qua các biện pháp điều khiển thích hợp.

III. Kết luận và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu này cung cấp một giải pháp mô phỏng hữu ích cho việc thiết kế và vận hành lưới điện nhỏ sử dụng năng lượng mặt trời và năng lượng gió. Kết quả mô phỏng cho phép đánh giá hiệu quả của việc tích hợp nguồn năng lượng tái tạo, cũng như xác định các vấn đề cần được giải quyết để đảm bảo chất lượng điện năng và an toàn lưới điện. Mô hình hóa lưới điện và phân tích dữ liệu cho thấy tiềm năng của việc sử dụng nguồn năng lượng tái tạo trong việc giảm thiểu sự phụ thuộc vào các nguồn năng lượng truyền thống. Ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu này bao gồm việc thiết kế các hệ thống lưới điện thông minh, lưới điện vi mô, và các hệ thống lưới điện phân tán.

3.1 Ứng dụng trong thiết kế hệ thống

Mô hình mô phỏng cung cấp một công cụ hữu ích cho các kỹ sư trong việc thiết kế và tối ưu hóa các hệ thống lưới điện nhỏ sử dụng năng lượng tái tạo. Việc tích hợp năng lượng tái tạo đòi hỏi sự cân nhắc kỹ lưỡng về các yếu tố kỹ thuật và kinh tế. Mô phỏng giúp dự đoán hiệu suất của hệ thống trước khi xây dựng, giúp tiết kiệm chi phí và thời gian. Phần mềm mô phỏng như MATLAB, PSCAD, PowerWorld Simulator, và ETAP đóng vai trò quan trọng trong việc mô phỏng hệ thống điện.

3.2 Hướng phát triển và giới hạn nghiên cứu

Nghiên cứu này tập trung vào mô phỏng chất lượng điện trên lưới điện nhỏ với hai nguồn năng lượng mặt trời và năng lượng gió. Tuy nhiên, việc mở rộng nghiên cứu để bao gồm các nguồn năng lượng tái tạo khác, như điện sinh khối, là cần thiết. Quản lý năng lượng thông minh cũng là một hướng phát triển quan trọng trong tương lai. Các tiêu chuẩn quốc tế như IEEE 1547 và IEC 61000-3-6 cần được xem xét để đảm bảo an toàn lưới điện. Thuật toán điều khiển tiên tiến cần được nghiên cứu để tối ưu hiệu suất của hệ thống. Bù công suất phản kháng và giảm thiểu sóng hài cũng là các vấn đề quan trọng cần được giải quyết.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN Một trong những mối quan tâm hàng đầu của các quốc gia là vấn đề an ninh trong cung cấp điện, an ninh năng lượng trong hệ thống điện. Ngày nay và trong một vài thập kỷ tới, ngoại trừ các nước có tiềm lực về năng lượng thì nhiều nước sẽ bắt đầu đối mặt với thiếu hụt cung cấp năng lượng[1].1 thể hiện xu thế chung của các nước là giảm cường độ điện khi chuyển từ giai đoạn thu nhập thấp sang thu nhập trung bình và cao, khi mà các ngành kinh tế cũng chuyển từ mở rộng sản xuất sang tăng năng suất, hiệu quả và tăng các ngành dịch vụ. Theo thống kê dựa theo số liệu tiêu thụ năng lượng của của IEA, 2005[2] và số liệu trữ lượng năng lượng không tái tạo của WEC, 2005[2] thì kịch bản mất an ninh hệ thống điện có khả năng xảy ra. Hậu quả từ mất an ninh hệ thống điện thì rất lớn gây thiệt hại về kinh tế hoặc con người.

Bên cạnh đó thì trữ lượng các nguồn nguyên liệu truyền thống như dầu, khí đốt, than… ngày càng cạn kiệt, cùng với đó trong quá trình khai thác và sản xuất điện những nguồn nguyên liệu này là một trong những nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường và sự ấm lên toàn cầu. Khi nhu cầu năng lượng cho các nước ngày một gia tăng, khả năng cung cấp các nguồn năng lượng truyền thống ngày càng hạn chế trong khi tiềm năng nguồn năng lượng tái tạo trên thế giới rất lớn kèm theo nhu cầu sử dụng điện và nhiệt cho sản xuất rất cao thì việc xem xét khai thác nguồn năng lượng tái tạo sẵn có cho sản xuất điện, đồng phát năng lượng (cả điện và nhiệt) là rất khả thi cả về công nghệ lẫn hiệu quả kinh tế và môi trường. Trong bối cảnh đó, tại Việt Nam, Quyết định số 1208 của Thủ tướng Chính phủ phê duyệt tổng sơ đồ phát triển điện giai đoạn 2011-2020, tầm nhìn đến 2030 (Tổng sơ đồ phát triển điện 7) được xem là cơ sở pháp lý cho phát triển Năng lượng tái tạo ở Việt nam. Kế hoạch và mục tiêu cho điện gió và sinh khối trong quyết định này đã nêu rõ: • Đến năm 2020, phát triển điện gió đạt 1.000 MW, sinh khối đạt 500 MW.

1 Luan van • Đến năm 2030, phát triển và đưa vào sử dụng lượng công suất từ gió đạt 6.200 MW, sinh khối là 2. Vì vậy, yêu cầu cấp thiết hiện nay sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo thân thiện môi trường thay vì phụ thuộc nhiều vào nguồn nguyên liệu truyền thống trong quá trình sản xuất điện và giảm bớt sự phụ thuộc cung cấp điện từ lưới điện chính nhưng phải đảm bảo an ninh cung cấp điện và an ninh hệ thống điện. Chính vì thế nghiên cứu “Mô phỏng chất lượng điện năng trên lưới điện nhỏ trong trường hợp nguồn năng lượng mặt trời và năng lượng gió làm việc với lưới” là hết sức cần thiết.1: Trữ lượng những năng lượng không tái tạo (WEC, 2005)[2] Năng lượng Dầu thô Khí tự nhiên Than đá Uranium (MT) (Gm3) (MT) (MT) Trữ lượng 413 365 150 5 (*) Khai thác 19 4 35 Số năm khai thác còn lại 22 91 4 (*) Giá thị trường của Uranium 130 USD/kg Hình 1.1: Cường độ điện/GDP của Việt Nam và một số nước [1 ] 2 Luan van Hình 1.2: Tiêu thụ năng lượng để Hình 1.3: Tiêu thụ điện theo ngành sản xuất điện chia theo nguồn năng lượng (IEA, 2005) [2 ] (Tính từ số liệu của IEA, 2005) [2] 1. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng trong và ngoài nước 1.

Tình hình nghiên cứu nước ngoài Theo nghiên cứu giao diện nguồn phân tán cho lưới MicroGird của tác giả Prabath Janaka Binduhewa đã trình bày về giao diện của hệ MicroGid một pha[3]. Để thực hiện mô phỏng cho nghiên cứu tác giả đã sử dụng phần mềm EMTDC/PSCAD và đạt được một số kết quả nhất định. Một nghiên cứu khác của tác giả Lipsa Priyadarshanee về mô hình hóa và điều khiển MicroGrid tích hợp AC/DC[4], tác giả sử dụng các nguồn phân tán như gió, năng lượng mặt trời và ắc-quy. Chúng được mô phỏng trong môi trường Matlab/Simulink, tác giả đã chỉ ra rằng khi hệ MicroGird vận hành thì phân bố công suất trong các nhánh, cũng như điện áp tại các Bus AC được duy trì ở trạng thái cân bằng.

Tình hình ứng dụng năng lượng tái tạo tại Việt Nam Thực trạng hoạt động của một số dự án sử dụng năng lượng tái tạo tại Việt Nam được tóm tắt theo Bảng 1.2 dưới đây: 3 Luan van Bảng 1.2: Tóm tắt thực trạng hoạt động của một số dự án NLTT đã ứng dụng ở Việt Nam[5] Stt Tên hệ thống Quy mô công suất Tình trạng hoạt động Cơ quan quản lý vận hành 1 Hệ thống Pin mặt trời + máy phát Trạm 1: PV 6,48kWp Bắt đầu vận hành từ ngày 05 người dân địa Diesel ở xóm Mừng (Hoà Bình) + Diesel 8,5kVA 01/09/2011 đến cuối năm 2012 bắt phương được đào Trạm 2: PV 2,16kWp đầu hỏng bộ Inverter, sau đó đến ắc tạo để quản lý vận + Diesel 2,0kVA quy. Đến tháng 3/2013 thì ngừng hành. 2 Hệ thống Pin mặt trời xã Thượng PV 11,07kWp + Bắt đầu vận hành từ ngày Đồn biên phòng 593 Trạch (Quảng Bình) Diesel 11kVA 16/12/2010. Hiện tại, hệ thống vẫn Cà Roòng.

đang hoạt động nhưng mỗi tối chỉ sử dụng được một giờ là ắc quy cạn kiệt. 3 Hệ thống pin mặt trời + thuỷ điện nhỏ PV 100kWp + thủy - Từ năm 1999 - 2004, công trình 05 công nhân Điện ở xã Trang huyện Đăk Đoa (Gia Lai) điện 25kW vận hành độc lập, không hòa lưới lực Gia Lai. - Năm 2004, hoà lưới điện, đến năm 2009 hỏng bộ Inverter, đã có sửa chữa nhưng không có kết quả. Hiện tại hệ thống ngừng hoạt động.

4 Hệ thống Pin mặt trời + tua bin gió ở PV 6,75kWp + Gió Tháng 10/2000 bắt đầu vận hành. Hệ thống vận hành làng Kongu 2 (Kon Tum). 1,8kW Sau khoảng 3 năm hệ thống bắt đầu tự động không có hoạt động không hiệu quả sau đó cán bộ chuyên trách ngừng cấp điện. Năm 2011, thiết bị trạm điện được chuyển giao cho Trường ĐHBK Đà Nẵng phục vụ công tác nghiên cứu, giảng dạy.

4 Luan van 5 Hệ thống tua bin gió + máy phát Gió 800kWp + Diesel Tháng 12/2004, hệ thống đưa vào Tổng đội Thanh niên Diesel ở huyện đảo Bạch Long Vĩ 800kW vận hành. xung phong Hải (Hải Phòng) Tháng 6/2006, hệ thống điều khiển Phòng. của trạm bị hỏng, tua bin gió không hoạt động. Đến tháng 10/2009, cơn bão số 10 tràn qua đảo và quét đổ tua bin gió, hiện tại chưa được khôi phục lại.

6 Hệ thống Pin mặt trời + máy phát PV 28,8 kWp + Tháng 01/2010, hệ thống đưa vào 05 người (người địa Diesel ở Bãi Hương (Quảng Nam) Diesel 5,5kW và vận hành, được 3 tháng thì ắc quy bị phương) đã được 15kW trục trặc và được thay thế những đào tạo trong thời bình hỏng và hệ thống lại vận hành. gian 3 tháng. Sau một thời gian ngắn, hệ ắc quy bị hỏng hoàn toàn, vì vậy ban ngày hệ thống cấp điện bằng PV không có ắc quy tích trữ, buổi tối chạy máy phát Diesel. Tháng 8/2012, hệ thống ngừng hoạt động hoàn toàn.

7 Hệ thống Pin mặt trời + Tua bin gió + PV 4,9 kWp + gió Tháng 10/2012, hệ thống đưa vào Đơn vị bộ đội đảo Hầm KSH tại đảo Mê Tĩnh Gia 1kW+ biogas 20 m3 vận hành, chỉ có PV và tua bin gió Hòn Mê. (Thanh Hoá) và máy phát biogas hoạt động, còn biogas không hoạt 2kW động do không đủ nguyên liệu và nước. 8 Hệ thống Pin mặt trời + Tua bin gió PV 1,16 kWp + gió Đầu năm 2012, hệ thống đưa vào Hệ thống vận hành tại Bãi Làng (Quảng Nam) 1,5kW vận hành, và hiện nay vẫn đang hoạt tự động không có động. cán bộ chuyên trách trông nom.

5 Luan van 9 Hệ thống tua bin gió + Diesel tại đảo Gió 6MW + Diesel Tháng 5/2012, điện gió đấu nối vào Điện lực Phú Quý + Phú Quý (Bình Thuận) 3MW lưới điện trên đảo. Hệ thống hỗn hợp Công ty TNHH một Phụ tải có công suất Diesel - Gió đã chính thức vận hành thành viên NLTT cực đại khoảng 2MW, thương mại từ ngày 24/08/2012. Kể Điện lực Dầu khí công suất cực tiểu từ khi đi vào hoạt động cuối tháng Việt Nam. 8/2012 đến đầu năm 2013, từng xảy ra sự cố trên dưới 20 lần gây nguy cơ rã lưới.

Mục đích luận văn Nội dung nghiên cứu của hai tác giả trên chưa đề cập đến vấn đề khi kết hợp cả hai nguồn năng lượng tái tạo cùng hoạt động với lưới điện thì lúc này chất lượng điện năng có những thay đổi gì? Do vậy, mục đích chính của luận văn này khảo sát chất lượng điện năng của hệ thống MicroGrid với nguồn phân tán là năng lượng mặt trời và năng lượng gió kết hợp làm việc với lưới điện trong các trường hợp giả định. Nhiệm vụ luận văn Để tiến hành khảo sát chất lượng điện năng của hệ thống thì một trong những vấn đề quan trọng là xây dựng được mô hình mô phỏng cho hệ thống. Mô hình được xây dựng phải có tính khả thi và sát với thực tiễn. Giới hạn luận văn Căn cứ theo mục đích, nhiệm vụ và điều kiện nghiên cứu thì trong quá trình khảo sát luận văn xin phép được giới hạn ở khảo sát về điện áp điện năng, bỏ qua việc khảo sát tần số của điện năng.

Phương pháp nghiên cứu Mô hình được xây dựng dựa trên các phương trình toán của các thành phần trong hệ thống như pin quang điện, bộ nghịch lưu, máy phát điện gió…. Hoặc sử dụng công cụ có sẵn trong Simulation/Simulink của Matlab 2015a để xây dựng mô hình mô phỏng và khảo sát chất lượng điện năng của hệ thống trong các trường hợp giả định. Kế hoạch thực hiện luận văn Để đạt được những mục đích nêu trên thì nghiên cứu gồm có các nội dung sau: Chương 2: Cơ sở lý thuyết, trong chương này sẽ trình bày các lý thuyết chung về hệ thống MicroGrid. Chương 3: Xây dựng mô hình mô phỏng, nội dung của chương gồm các lý thuyết về các thành phần trong hệ MicroGrid từ đó xây dựng lên mô hình mô phỏng.

Chương 4: Kết quả mô phỏng, tiến hành mô phỏng từ mô hình đã xây dựng ở Chương 3, nhận xét kết quả thu được. Cuối cùng Chương 5: Kết luận và hướng phát triển. 7 Luan van Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Định nghĩa MicroGrid MicroGrid[6] là một lưới điện được cấu thành từ các thành phần như máy phát phân tán, thiết bị lưu trữ năng lượng, tải khu vực và thiết bị đóng cắt thông minh.