Mô phỏng chất lượng điện trên lưới điện nhỏ MG khi kết hợp năng lượng mặt trời và gió

Khám phá mô phỏng chất lượng điện trên lưới điện nhỏ khi 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: 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 (MG) trong trường hợp nguồn năng lượng mặt trời kết hợp với năng lượng gió làm việc với lưới điện
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về hệ thống MicroGrid và năng lượng tái tạo

Hệ thống MicroGrid là một lưới điện nhỏ, độc lập hoặc kết nối với lưới điện quốc gia, bao gồm các nguồn năng lượng phân tán như năng lượng mặt trời và năng lượng gió. Việc kết hợp các nguồn năng lượng tái tạo này giúp tăng cường hiệu suất năng lượng và giảm phụ thuộc vào nguồn năng lượng truyền thống. Chất lượng điện trên lưới điện nhỏ MG là một vấn đề quan trọng, đặc biệt khi tích hợp các nguồn năng lượng không ổn định như gió và mặt trời. Nghiên cứu này tập trung vào mô phỏng và phân tích chất lượng điện trong hệ thống MG kết hợp hai nguồn năng lượng này.

1.1. Tổng quan về năng lượng tái tạo

Năng lượng mặt trời và năng lượng gió là hai nguồn năng lượng tái tạo phổ biến, có tiềm năng lớn trong việc giảm thiểu ô nhiễm môi trường và đảm bảo an ninh năng lượng. Tuy nhiên, sự biến động của các nguồn này đòi hỏi các giải pháp quản lý năng lượng hiệu quả. Việc tích hợp chúng vào hệ thống lưới điện nhỏ MG đòi hỏi các công nghệ tiên tiến để đảm bảo chất lượng điện và ổn định hệ thống.

1.2. Vai trò của MicroGrid

MicroGrid đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp điện cho các khu vực xa lưới điện chính hoặc trong trường hợp khẩn cấp. Với khả năng tích hợp các nguồn năng lượng phân tán, MG giúp tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng và giảm thiểu tổn thất điện năng. Nghiên cứu này tập trung vào việc mô phỏng và đánh giá chất lượng điện trên MG khi kết hợp năng lượng mặt trời và năng lượng gió.

II. Phương pháp mô phỏng và công cụ sử dụng

Nghiên cứu sử dụng môi trường Simulink của Matlab 2015a để mô phỏng hệ thống MicroGrid kết hợp năng lượng mặt trời và năng lượng gió. Mô hình bao gồm các thành phần chính như pin quang điện, tuabin gió, bộ nghịch lưu và lưới điện. Phân tích chất lượng điện được thực hiện thông qua việc đo lường các thông số như điện áp, dòng điện và công suất trong các chế độ vận hành khác nhau.

2.1. Mô hình hóa pin quang điện

Pin quang điện được mô hình hóa dựa trên các phương trình toán học mô tả đặc tính làm việc của tấm pin. Mô hình này được tích hợp vào Simulink để mô phỏng sản lượng điện từ năng lượng mặt trời. Kết quả mô phỏng cho thấy sự biến động của điện áp và dòng điện phụ thuộc vào cường độ ánh sáng và nhiệt độ môi trường.

2.2. Mô hình hóa tuabin gió

Tuabin gió được mô hình hóa dựa trên các thông số kỹ thuật của máy phát điện đồng bộ. Mô hình này mô tả quá trình chuyển đổi năng lượng gió thành điện năng và được tích hợp vào Simulink. Kết quả mô phỏng cho thấy sự ảnh hưởng của tốc độ gió đến điện áp và công suất đầu ra của tuabin.

III. Kết quả mô phỏng và phân tích

Kết quả mô phỏng cho thấy chất lượng điện trên hệ thống MicroGrid phụ thuộc vào sự kết hợp giữa năng lượng mặt trời và năng lượng gió. Trong chế độ vận hành độc lập, điện áp và dòng điện có sự dao động lớn do sự biến động của các nguồn năng lượng. Trong chế độ nối lưới, hệ thống đạt được sự ổn định cao hơn nhờ sự hỗ trợ từ lưới điện chính.

3.1. Chế độ vận hành độc lập

Trong chế độ độc lập, chất lượng điện bị ảnh hưởng bởi sự biến động của năng lượng mặt trời và năng lượng gió. Kết quả mô phỏng cho thấy điện áp và dòng điện có sự dao động lớn, đặc biệt khi tốc độ gió và cường độ ánh sáng thay đổi đột ngột. Điều này đòi hỏi các giải pháp quản lý năng lượng hiệu quả để duy trì ổn định hệ thống.

3.2. Chế độ vận hành nối lưới

Trong chế độ nối lưới, hệ thống MicroGrid đạt được sự ổn định cao hơn nhờ sự hỗ trợ từ lưới điện chính. Kết quả mô phỏng cho thấy điện áp và dòng điện được duy trì ở mức ổn định, giảm thiểu sự dao động do sự biến động của các nguồn năng lượng tái tạo. Điều này chứng tỏ hiệu quả của việc tích hợp năng lượng mặt trời và năng lượng gió vào hệ thống lưới điện nhỏ MG.

IV. Kết luận và hướng phát triển

Nghiên cứu đã chứng minh rằng việc kết hợp năng lượng mặt trời và năng lượng gió trong hệ thống MicroGrid có thể cải thiện hiệu suất năng lượng và giảm phụ thuộc vào nguồn năng lượng truyền thống. Tuy nhiên, chất lượng điện vẫn bị ảnh hưởng bởi sự biến động của các nguồn năng lượng này. Các giải pháp quản lý năng lượng và tối ưu hóa năng lượng cần được nghiên cứu thêm để nâng cao hiệu quả của hệ thống.

4.1. Giải pháp nâng cao chất lượng điện

Để nâng cao chất lượng điện trên hệ thống MicroGrid, các giải pháp như sử dụng thiết bị lưu trữ năng lượng, điều khiển thông minh và tích hợp các nguồn năng lượng ổn định hơn cần được áp dụng. Các công nghệ mới như công nghệ năng lượng tiên tiến cũng cần được nghiên cứu để tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống.

4.2. Hướng phát triển trong tương lai

Trong tương lai, nghiên cứu cần tập trung vào việc phát triển các mô hình mô phỏng chính xác hơn và tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo khác như thủy điện và sinh khối. Việc áp dụng các công nghệ quản lý năng lượng thông minh và tối ưu hóa năng lượng sẽ giúp nâng cao hiệu quả và độ ổn định của hệ thống lưới điện nhỏ MG.

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 • 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 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 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 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 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 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.

MicroGrid là một lưới điện độc lập có hoặc không liên kết với lưới điện quốc gia.