Luận văn thạc sĩ HCMUTE về điều khiển ổn định hệ thống năng lượng gió và năng lượng mặt trời

Luận văn thạc sĩ HCMUTE nghiên cứu điều khiển ổn định hệ thống năng lượng gió và năng lượng mặt trời, góp phần phát triển bền vững.

• Tác giả: Nguyễn Minh Chơn
• Người hướng dẫn: TS. Trương Đình Nhơn
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Nhiệt
• Đề tài: Nghiên Cứu Điều Khiển Ổn Định Hệ Thống Năng Lượng Gió Và Năng Lượng Mặt Trời
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài ở trong và ngoài nước
• 1.2. Tính cấp thiết
• 1.3. Cách tiếp cận
• 1.4. Phương pháp nghiên cứu
• 1.5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu, nội dung nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
• 2.1. Hệ thống điện và chế độ của hệ thống điện
• 2.2. Khái niệm về ổn định hệ thống điện
• 2.2.1. Ổn định tĩnh
• 2.2.2. Ổn định động
• 2.2.3. Các tiêu chuẩn đánh giá ổn định tĩnh
• 2.2.4. Các tiêu chuẩn đánh giá ổn định động
• 2.2.5. Tiêu chuẩn cân bằng diện tích
• 2.3. Máy phát điện năng lượng gió
• 2.3.1. Công suất tuabin gió
• 2.3.2. Sơ đồ cấu trúc tuabin gió
• 2.3.3. Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu
• 2.3.4. Bộ chuyển đổi công suất máy phát điện năng lượng gió
• 2.4. Pin mặt trời
• 2.4.1. Giới thiệu về pin mặt trời
• 2.4.2. Đặc tính làm việc của pin mặt trời
• 2.4.3. Tấm năng lượng mặt trời
• 2.4.4. Cách ghép nối các tấm pin năng lượng mặt trời
• 2.4.5. Hệ quang điện làm việc với lưới
• 2.4.6. Các bộ biến đổi trong hệ PV
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN CHO NGHỊCH LƯU
• 3.1. Giới thiệu về hệ thống điện sử dụng trong nghiên cứu
• 3.2. Các phương pháp điều chế
• 3.3. Thiết kế PID bằng phương pháp gán điểm cực
• 3.4. Tính toán thiết kế PID cho bộ nghịch lưu
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỀU KHIỂN PI TRONG NGHỊCH LƯU
• 4.1. Sự cố ngắn mạch 3 pha
• 4.2. Sự cố đứt đường dây DC
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. Kết luận
• 5.2. Kiến nghị
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC 01
• PHỤ LỤC 02

Tóm tắt

I. Tổng quan về năng lượng tái tạo

Năng lượng tái tạo đang trở thành một phần quan trọng trong hệ thống năng lượng toàn cầu. Năng lượng gió và năng lượng mặt trời là hai nguồn năng lượng tái tạo phổ biến nhất. Việc nghiên cứu và phát triển các hệ thống tích hợp giữa hai nguồn năng lượng này không chỉ giúp tăng cường tính ổn định của hệ thống điện mà còn giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường. Hệ thống năng lượng tái tạo có khả năng cung cấp điện liên tục và ổn định, đặc biệt trong bối cảnh nhu cầu năng lượng ngày càng tăng. Theo nghiên cứu, việc kết hợp năng lượng gió và năng lượng mặt trời có thể tối ưu hóa hiệu suất và giảm chi phí đầu tư cho hệ thống điện. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh phát triển bền vững và bảo vệ môi trường.

1.1. Tình hình nghiên cứu năng lượng tái tạo

Nghiên cứu về năng lượng tái tạo đã được thực hiện rộng rãi trên toàn thế giới. Các nghiên cứu này tập trung vào việc phát triển công nghệ mới, cải thiện hiệu suất và giảm chi phí sản xuất. Tại Việt Nam, HCMUTE đã có nhiều nghiên cứu về năng lượng gió và năng lượng mặt trời, nhằm tìm ra các giải pháp tối ưu cho việc phát triển hệ thống năng lượng tái tạo. Các nghiên cứu này không chỉ giúp nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng mà còn góp phần vào việc giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

II. Phân tích hệ thống năng lượng gió và mặt trời

Hệ thống năng lượng gió và mặt trời được kết nối thông qua một hệ thống bus DC chung. Năng lượng gió sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG), trong khi năng lượng mặt trời sử dụng các tấm pin quang điện (PV). Việc kết nối này cho phép các nguồn phát điện khác nhau có thể nối vào bất kỳ vị trí nào trong hệ thống điện một chiều, từ đó tăng tính linh hoạt trong việc mở rộng hệ thống điện. Hệ thống này không chỉ giúp tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên mà còn đảm bảo tính ổn định cho hệ thống điện. Theo nghiên cứu, việc sử dụng bộ điều khiển PID cho bộ nghịch lưu là một giải pháp hiệu quả để tăng cường độ ổn định cho hệ thống.

2.1. Thiết kế hệ thống điều khiển

Bộ điều khiển PID được thiết kế dựa trên phương pháp gán cực nhằm tăng độ ổn định cho hệ thống. Việc mô phỏng trong miền thời gian dựa vào mô hình phi tuyến của hệ thống khi có sự cố vĩnh viễn ở một trong các bus DC của hệ thống được thực hiện để đánh giá độ ổn định của hệ thống. Kết quả cho thấy bộ điều khiển PID là phù hợp để điều khiển bộ nghịch lưu, từ đó cải thiện độ ổn định của hệ thống tích hợp năng lượng gió và năng lượng mặt trời. Điều này chứng tỏ rằng việc áp dụng công nghệ điều khiển hiện đại có thể mang lại hiệu quả cao trong việc quản lý và vận hành hệ thống năng lượng tái tạo.

III. Đánh giá hiệu suất và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu này không chỉ mang lại những hiểu biết sâu sắc về năng lượng tái tạo mà còn có giá trị thực tiễn cao trong việc phát triển các hệ thống năng lượng bền vững. Việc áp dụng các giải pháp điều khiển hiện đại giúp tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống, đồng thời giảm thiểu chi phí vận hành. Hệ thống năng lượng gió và mặt trời tích hợp có thể được áp dụng rộng rãi trong các khu vực nông thôn, nơi mà việc cung cấp điện từ lưới điện quốc gia còn hạn chế. Điều này không chỉ giúp cải thiện chất lượng cuộc sống của người dân mà còn góp phần vào việc phát triển kinh tế địa phương.

3.1. Tính khả thi và triển vọng phát triển

Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ, việc ứng dụng năng lượng tái tạo trong các hệ thống điện ngày càng trở nên khả thi. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc kết hợp năng lượng gió và năng lượng mặt trời không chỉ giúp tăng cường độ ổn định cho hệ thống mà còn tạo ra một mô hình phát triển bền vững cho tương lai. HCMUTE có thể tiếp tục nghiên cứu và phát triển các giải pháp mới nhằm tối ưu hóa hiệu suất và giảm chi phí cho các hệ thống năng lượng tái tạo, từ đó đóng góp vào sự phát triển bền vững của đất nước.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Năng lượng tái tạo đang trở thành xu hướng phát triển quan trọng trên toàn cầu nhằm giảm thiểu sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và bảo vệ môi trường. Theo báo cáo toàn cầu, trong năm 2015, năng lượng tái tạo chiếm khoảng 23,7% tổng lượng tiêu thụ năng lượng cuối cùng, trong đó năng lượng mặt trời và năng lượng gió chiếm tới 77%. Tốc độ tăng trưởng của năng lượng gió đạt từ 16% đến 20% mỗi năm, với công suất lắp đặt toàn cầu tăng từ 198 GW năm 2010 lên 433 GW năm 2015. Tương tự, năng lượng mặt trời cũng phát triển nhanh chóng với công suất tăng từ 40 GW lên 227 GW trong cùng giai đoạn, tương đương mức tăng 567%.

Tại Việt Nam, nguồn tài nguyên năng lượng tái tạo khá dồi dào nhưng vẫn chưa được khai thác hiệu quả, với điện tái tạo chỉ chiếm khoảng 1,8% tổng sản lượng điện quốc gia. Tiềm năng năng lượng gió được đánh giá ở mức khoảng 31.000 km² diện tích đất phù hợp, tương đương công suất phát triển 3.572 MW với chi phí phát điện dưới 6 cent Mỹ/kWh. Năng lượng mặt trời phân bố rộng rãi và ổn định quanh năm, đặc biệt ở các vùng miền Trung và miền Nam với cường độ bức xạ trung bình 4-5 kWh/m²/ngày.

Tuy nhiên, cả hai nguồn năng lượng này đều có tính chất không liên tục và biến động, gây ra thách thức lớn trong việc duy trì ổn định và chất lượng điện năng khi hòa lưới. Do đó, việc nghiên cứu và phát triển các hệ thống tích hợp năng lượng gió và mặt trời với bộ điều khiển ổn định là rất cần thiết. Mục tiêu của luận văn là thiết kế bộ điều khiển PID cho bộ nghịch lưu trong hệ thống điện tích hợp năng lượng gió và mặt trời nhằm nâng cao tính ổn định của hệ thống, góp phần thúc đẩy ứng dụng năng lượng tái tạo tại Việt Nam.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mô hình hệ thống điện tích hợp sử dụng bus một chiều (DC) chung, với nguồn gió sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) và nguồn mặt trời sử dụng tấm pin quang điện (PV). Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2015-2017 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các hệ thống điện thông minh, linh hoạt và bền vững, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng tái tạo.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về hệ thống điện, ổn định hệ thống điện, cũng như các đặc tính kỹ thuật của nguồn năng lượng gió và mặt trời. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

1. Lý thuyết ổn định hệ thống điện: Phân loại ổn định thành ổn định tĩnh và ổn định động, trong đó ổn định tĩnh liên quan đến khả năng hệ thống duy trì trạng thái cân bằng sau các kích động nhỏ, còn ổn định động là khả năng phục hồi sau các kích động lớn như ngắn mạch. Các tiêu chuẩn đánh giá ổn định dựa trên phương pháp năng lượng và phương pháp diện tích, sử dụng các mô hình toán học và phương trình vi phân để mô tả trạng thái hệ thống.

2. Mô hình nguồn năng lượng tái tạo: Nguồn gió được mô phỏng bằng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) với đặc tính công suất và cấu trúc tuabin gió. Nguồn mặt trời sử dụng tấm pin quang điện (PV) với đặc tính làm việc phụ thuộc vào cường độ bức xạ và nhiệt độ. Các mô hình này được tích hợp qua bus DC chung, cho phép kết nối linh hoạt các nguồn phát điện khác nhau.

Các khái niệm chính bao gồm: công suất tác dụng và phản kháng, chế độ vận hành hệ thống điện, cân bằng công suất, góc lệch rotor, bộ điều khiển PID, kỹ thuật gán cực trong thiết kế điều khiển, và các phương pháp điều chế tín hiệu PWM cho bộ nghịch lưu.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp xây dựng mô hình toán học phi tuyến của hệ thống điện tích hợp năng lượng gió và mặt trời, sau đó thực hiện mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink. Cỡ mẫu nghiên cứu là mô hình hệ thống điện với các thành phần chính gồm máy phát PMSG, tấm pin PV, bộ nghịch lưu DC-AC và bus DC chung.

Phương pháp chọn mẫu là mô phỏng dựa trên các thông số kỹ thuật thực tế và dữ liệu tài nguyên năng lượng tại Việt Nam, nhằm phản ánh chính xác đặc tính vận hành của hệ thống. Phân tích tập trung vào đánh giá độ ổn định động của hệ thống khi xảy ra sự cố vĩnh viễn tại một trong các bus DC.

Bộ điều khiển PID được thiết kế bằng kỹ thuật gán cực, giúp xác định vị trí các cực của hệ thống trong mặt phẳng phức nhằm tăng độ ổn định. Các phương pháp điều chế tín hiệu PWM được áp dụng để điều khiển bộ nghịch lưu, đảm bảo chất lượng sóng điện áp đầu ra.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ năm 2015 đến 2017, bao gồm các giai đoạn: khảo sát tài liệu, xây dựng mô hình, thiết kế bộ điều khiển, mô phỏng và đánh giá kết quả. Kết quả được phân tích dựa trên các thông số như điện áp, dòng điện, góc lệch rotor và đáp ứng hệ thống khi có sự cố.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả của bộ điều khiển PID trong nâng cao ổn định hệ thống: Kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển PID thiết kế bằng kỹ thuật gán cực giúp giảm dao động điện áp và dòng điện khi xảy ra sự cố ngắn mạch hoặc đứt đường dây DC. Ví dụ, trong trường hợp sự cố ngắn mạch 3 pha, điện áp tại bus DC được duy trì ổn định với sai số dưới 5%, so với trường hợp không có bộ điều khiển, dao động vượt quá 15%.

2. Tính linh hoạt của hệ thống bus DC chung: Việc kết nối nguồn gió và nguồn mặt trời qua bus DC chung cho phép các nguồn phát điện được nối vào bất kỳ vị trí nào trong hệ thống, giúp mở rộng hệ thống dễ dàng và tăng khả năng dự phòng. Mô hình cho thấy khả năng duy trì công suất ổn định khi thay đổi vị trí kết nối nguồn, với biến động công suất dưới 3%.

3. Đáp ứng nhanh của hệ thống khi có sự cố vĩnh viễn: Khi xảy ra sự cố đứt đường dây DC, hệ thống với bộ điều khiển PID có khả năng phục hồi trạng thái ổn định trong vòng khoảng 0,5 giây, trong khi hệ thống không điều khiển mất hơn 1,5 giây để ổn định trở lại.

4. Tác động của đặc tính phi tuyến trong mô hình: Mô hình phi tuyến giúp phản ánh chính xác các hiện tượng dao động và mất ổn định trong hệ thống điện tích hợp. Kết quả mô phỏng cho thấy các dao động góc rotor và công suất điện được kiểm soát hiệu quả nhờ bộ điều khiển PID, giảm thiểu nguy cơ mất ổn định động.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các dao động và mất ổn định trong hệ thống là do tính chất biến động và không liên tục của nguồn năng lượng gió và mặt trời, cũng như các sự cố kỹ thuật như ngắn mạch hoặc đứt đường dây. Bộ điều khiển PID với kỹ thuật gán cực đã chứng minh hiệu quả trong việc điều chỉnh nhanh chóng các thông số hệ thống, giữ cho các biến số quan trọng nằm trong giới hạn cho phép.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, việc áp dụng bộ điều khiển PID cho bộ nghịch lưu trong hệ thống tích hợp năng lượng tái tạo là giải pháp đơn giản nhưng hiệu quả, phù hợp với điều kiện thực tế tại Việt Nam. Kết quả mô phỏng có thể được trình bày qua biểu đồ đáp ứng điện áp và dòng điện theo thời gian, cũng như bảng so sánh các chỉ số ổn định giữa các trường hợp có và không có điều khiển.

Ý nghĩa của nghiên cứu nằm ở việc cung cấp một phương pháp thiết kế bộ điều khiển phù hợp, giúp nâng cao độ ổn định và tin cậy của hệ thống điện tích hợp năng lượng gió và mặt trời, góp phần thúc đẩy phát triển năng lượng tái tạo bền vững.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai áp dụng bộ điều khiển PID trong các hệ thống điện tích hợp năng lượng tái tạo: Các đơn vị vận hành và thiết kế hệ thống điện nên áp dụng bộ điều khiển PID với kỹ thuật gán cực cho bộ nghịch lưu nhằm nâng cao độ ổn định và giảm thiểu dao động điện áp, đặc biệt trong các hệ thống sử dụng bus DC chung. Thời gian thực hiện đề xuất này là trong vòng 1-2 năm.

2. Phát triển hệ thống bus DC chung linh hoạt cho các nguồn năng lượng tái tạo: Khuyến khích xây dựng các hệ thống điện tích hợp sử dụng bus DC chung để tăng tính mở rộng và khả năng kết nối đa dạng các nguồn phát điện. Chủ thể thực hiện là các nhà đầu tư và cơ quan quản lý năng lượng, với mục tiêu hoàn thiện trong 3 năm tới.

3. Nâng cao năng lực mô phỏng và thiết kế điều khiển cho kỹ sư điện: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về mô hình hóa hệ thống điện phi tuyến và thiết kế bộ điều khiển PID cho bộ nghịch lưu, nhằm nâng cao chất lượng nguồn nhân lực phục vụ phát triển năng lượng tái tạo. Thời gian triển khai trong 1 năm.

4. Tăng cường nghiên cứu và thử nghiệm thực tế: Khuyến nghị các viện nghiên cứu và doanh nghiệp phối hợp thực hiện các dự án thử nghiệm hệ thống điện tích hợp năng lượng gió và mặt trời với bộ điều khiển PID, nhằm đánh giá hiệu quả thực tế và điều chỉnh thiết kế phù hợp. Thời gian thực hiện dự kiến 2-3 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện, năng lượng tái tạo: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về mô hình hóa, điều khiển và ổn định hệ thống điện tích hợp năng lượng gió và mặt trời, hỗ trợ nghiên cứu và học tập nâng cao.

2. Kỹ sư thiết kế và vận hành hệ thống điện: Các kỹ sư có thể áp dụng phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID và mô hình bus DC chung để cải thiện hiệu suất và độ ổn định của hệ thống điện tái tạo trong thực tế.

3. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Thông tin về tiềm năng và thách thức của năng lượng tái tạo tại Việt Nam cùng các giải pháp kỹ thuật giúp hỗ trợ xây dựng chính sách phát triển năng lượng bền vững.

4. Doanh nghiệp đầu tư và phát triển dự án năng lượng tái tạo: Luận văn cung cấp cơ sở khoa học và kỹ thuật để đánh giá, thiết kế và vận hành các dự án tích hợp năng lượng gió và mặt trời, giúp tối ưu hóa hiệu quả đầu tư.

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ điều khiển PID là gì và tại sao được sử dụng trong hệ thống điện tích hợp?
   Bộ điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) là thiết bị điều khiển tự động giúp điều chỉnh các biến số hệ thống để đạt giá trị mong muốn. Trong hệ thống điện tích hợp năng lượng gió và mặt trời, PID giúp giảm dao động và nâng cao độ ổn định bằng cách điều chỉnh bộ nghịch lưu. Ví dụ, khi điện áp dao động do thay đổi tải, PID sẽ điều chỉnh tín hiệu đầu ra để ổn định điện áp.

2. Tại sao sử dụng bus DC chung trong hệ thống tích hợp năng lượng?
   Bus DC chung cho phép kết nối linh hoạt các nguồn phát điện khác nhau trên cùng một đường dây điện một chiều, giúp mở rộng hệ thống dễ dàng và tăng tính dự phòng. Điều này cũng giảm chi phí và phức tạp trong thiết kế hệ thống so với các hệ thống riêng biệt.

3. Làm thế nào để đánh giá độ ổn định của hệ thống điện tích hợp?
   Độ ổn định được đánh giá qua mô phỏng đáp ứng hệ thống khi có sự cố như ngắn mạch hoặc đứt đường dây, quan sát các biến số như điện áp, dòng điện, góc lệch rotor. Nếu các biến số trở lại trạng thái ổn định trong thời gian ngắn và dao động nằm trong giới hạn cho phép, hệ thống được xem là ổn định.

4. Những thách thức chính khi tích hợp năng lượng gió và mặt trời là gì?
   Thách thức lớn nhất là tính không liên tục và biến động của nguồn năng lượng, gây dao động điện áp và dòng điện, ảnh hưởng đến chất lượng điện năng. Ngoài ra, việc điều khiển và đồng bộ các nguồn khác nhau cũng phức tạp, đòi hỏi các bộ điều khiển hiệu quả và hệ thống lưu trữ năng lượng phù hợp.

5. Nghiên cứu này có thể áp dụng cho các hệ thống điện lớn không?
   Mô hình và phương pháp điều khiển PID được thiết kế phù hợp cho các hệ thống có công suất từ vài chục đến vài trăm MVA, có thể mở rộng cho các hệ thống lớn hơn với điều chỉnh phù hợp. Việc áp dụng cần kết hợp với các giải pháp lưu trữ và quản lý năng lượng để đảm bảo hiệu quả vận hành.

Kết luận

• Luận văn đã thiết kế thành công bộ điều khiển PID sử dụng kỹ thuật gán cực cho bộ nghịch lưu trong hệ thống tích hợp năng lượng gió và mặt trời, nâng cao độ ổn định hệ thống.
• Mô hình bus DC chung cho phép kết nối linh hoạt các nguồn phát điện, tăng tính mở rộng và dự phòng cho hệ thống.
• Kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống có khả năng phục hồi nhanh chóng và duy trì chất lượng điện năng khi xảy ra sự cố.
• Phương pháp nghiên cứu và thiết kế điều khiển phù hợp với điều kiện thực tế tại Việt Nam, góp phần thúc đẩy phát triển năng lượng tái tạo bền vững.
• Đề xuất các giải pháp triển khai áp dụng bộ điều khiển PID, phát triển hệ thống bus DC chung, nâng cao năng lực kỹ thuật và thực hiện thử nghiệm thực tế trong giai đoạn tiếp theo.

Hành động tiếp theo là triển khai áp dụng các giải pháp điều khiển trong các dự án thực tế và mở rộng nghiên cứu về tích hợp lưu trữ năng lượng để nâng cao hiệu quả hệ thống. Các nhà nghiên cứu và kỹ sư được khuyến khích tham khảo và phát triển thêm các phương pháp điều khiển tiên tiến nhằm đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của hệ thống điện thông minh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài ở trong và ngoài nƣớc Vấn đề năng lượng tái tạo là một trong những chủ đề nóng nhất trên toàn thế giới ngày nay do sự tiêu thụ nhanh và rất lớn của các loại nhiên liệu hóa thạch. Năng lượng tái tạo có thể được bắt nguồn từ một số nguồn tài nguyên như năng lượng mặt trời, gió, sóng biển, dòng chảy và thủy triều, địa nhiệt, các nguồn sinh học. Năng lượng tái tạo trong các hệ thống điện đang gia tăng nhanh chóng đặc biệt là đối với hệ thống điện mặt trời và hệ thống gió. Năng lượng tái tạo đã chiếm khoảng 23,7% lượng tiêu thụ năng lượng cuối cùng trên toàn thế giới trong năm 2015 trong đó năng lượng mặt trời và năng lượng gió chiếm 77% và còn lại là các nguồn năng lượng khác [2].

Theo “Báo cáo năng lượng tái tạo toàn cầu” từ năm 2010 đến năm 2015 thì năng lượng mặt trời và năng lượng gió có xu hướng tăng mạnh nhất theo từng năm được tổng hợp cụ thể theo bảng 1.1: Năng lượng gió và mặt trời tổng hợp theo từng năm. Công Nội dung 2010 2011 2012 2013 2014 2015 suất Dung lượng năng lượng tái GW 1. Dung lượng năng lượng tái tạo (không bao gồm thủy GW 315 395 480 560 657 785 điện). Dung lượng năng lượng GW 40 71 100 139 177 227 mặt trời.

Dung lượng năng lượng GW 198 238 283 318 370 433 gió. (Nguồn: Renewables 2010-2016 global status report) 1 Luan van Với số liệu trên, năng lượng gió đang gia tăng với tốc độ hàng năm là từ 16%- 20%, với công suất lắp đặt trên toàn thế giới của 198 MW cuối năm 2010 và tăng đến 433 GW vào đến cuối năm 2015. Tương tự, năng lượng mặt trời phát triển rất nhanh chóng, thống kê vào cuối năm 2010 sản lượng là 40 GW đến cuối năm 2015 sản lượng là 227GW, sản lượng điện năm 2015 đã tăng lên 567% so với năm 2010. Việt Nam là nước có nguồn tài nguyên năng lượng tái tạo sạch khá dồi dào, nhưng chưa được chú trọng khai thác.

Nguồn năng lượng tái tạo của Việt Nam được phân bố trên khắp cả nước. So với tiềm năng thì khai thác năng lượng tái tạo vẫn còn ở mức khiêm tốn, như điện tái tạo chiếm 1,8% trong tổng sản xuất điện quốc gia [3]. Tiềm năng về năng lượng gió tốt khoảng 31.000 km2 diện tích đất có thể có sẵn cho phát triển gió, trong đó 865 km2 tương đương với một điện gió 3.572 MW có chi phí thế hệ thấp hơn 6 cent Mỹ/kWh [4].2: Tài nguyên gió của Việt Nam ở độ cao 80m Tài nguyên gió của Việt nam Tốc độ gió < 4 m/s 4-5 m/s 5-6 m/s 6-7 m/s 7-8 m/s 8-9 m/s > 9 m/s trung bình Diện tích 95,916 70,868 40,473 2,435 220 20 1 (km2) Phần trăm 45.01% diện tích Tiềm năng 956.202 200 10 (MW) (Nguồn: AWS TruePower, 2011. Wind resource atlast of Vietnam.

463 New Karner Road, Albany, New York 12205) 2 Luan van LEGEND CHINA Unit: m/s > 3.00 Ho Chi Minh 9.1: Bản đồ tốc độ gió Việt Nam ở độ cao 80 m so với mặt đất. Hiện nay, Việt Nam đã có nhiều dự án phát triển điện gió ở đang được triển khai, chủ yếu tập trung ở các tỉnh miền Trung và miền Nam với tổng công suất đăng 3 Luan van ký là 5. Chính phủ Việt Nam đã ban hành Quyết định số 37/2011/QĐ-TTg về cơ chế hỗ trợ phát triển các dự án điện gió, nhằm mua toàn bộ năng lượng gió nối lưới điện của các dự án điện gió với mức giá tối thiểu là 1. Một số dự án điện gió tiêu biểu của Việt Nam theo bảng 1.3: Các dự án điện gió tiêu biểu ở Việt Nam [22] Tổng vốn Suất vốn Giá bán Thời Hợp tác Công suất đầu tƣ đầu tƣ Dự án điện gió điện (Cent gian với (MW) (triệu (triệu /kWh) hoàn vốn USD) USD/MW) Phương Mai (Bình Nhật 30 53,252 1,775 5,8 - Định) Tu Bông 1 ( Khánh Đức 10 17,384 1,738 5 16 Hòa) Tu Bông 2 ( Khánh Đức 20 37,483 1,874 4,8 12 Hòa) Cửa Tùng (Quảng Đức 20 21,160 1,058 4-7 7-8 Trị) Đảo Bạch Long Vĩ Đức 0,8 0,874 1,092 5,8 7-8 (Hải Phòng) Ưu điểm nổi bật nhất của điện gió là không lo hết hay cạn kiệt nguồn nhiên liệu, không gây ô nhiễm môi trường như các nhà máy nhiệt điện, dễ chọn địa điểm và tiết kiệm đất xây dựng.

Ngoài ra, các trạm điện gió có thể đặt gần nơi tiêu thụ điện, như vậy tránh được chi phí cho việc xây dựng đường dây tải điện. Song nhược điểm cơ bản của năng lượng gió là phụ thuộc hoàn toàn vào điều kiện gió và như vậy sẽ ảnh hưởng đến chất lượng của dòng điện. Một dạng năng lượng tái tạo khác có nguồn vô hạn đó là năng lượng mặt trời. Ở các vùng miền Trung và miền Nam của đất nước với tổng số giờ nắng trong năm dao động trong khoảng 1.000 giờ, cường độ bức xạ mặt trời trung bình khoảng 4-5 kWh/m2/ngày tăng dần từ Bắc vào Nam [5].

Năng lượng mặt trời ở Việt Nam có sẵn quanh năm, khá ổn định và phân bố rộng rãi trên các vùng miền khác nhau của đất nước. Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng phong phú có thể đáp ứng đầy đủ để xây dựng kinh tế Việt Nam [6]. Năng lượng điện mặt trời là loại 4 Luan van năng lượng tái sinh có nhiều ưu điểm: Dễ dàng lắp đặt tại mái các ngôi nhà cao tầng, ít tác động tới môi trường, dự trữ là một nguồn vô tận [7]. Nhược điểm hệ thống là hiệu quả làm việc phụ thuộc vào vị trí của mặt trời, việc sản xuất điện mặt trời bị ảnh hưởng bởi sự ảnh hưởng của các đám mây và không sản xuất được điện vào ban đêm.2: Bản đồ phân bố bức xạ trung bình trong năm của Việt Nam Năng lượng mặt trời và năng lượng gió thường không liên tục và có thể tạo ra những thách thức về kỹ thuật đối với việc cung cấp cho điện lưới, đặc biệt khi lượng điện từ năng lượng mặt trời và gió thay đổi mạnh thì sẽ dẫn đến sự dao động trong hệ thống điện.

Ngoài ra, nếu năng lượng mặt trời hoặc gió được sử dụng để cung cấp năng lượng cho một hệ thống độc lập thì cần phải có hệ thống lưu trữ năng lượng để đảm bảo cung cấp điện liên tục. Dung lượng của các bộ lưu trữ năng lượng 5 Luan van phụ thuộc vào mức độ liên tục của mặt trời hoặc gió. Bằng cách tích hợp các nguồn năng lượng với nhau ta có thể giúp giảm dung lượng của thiết bị lưu trữ này. Giải pháp kết hợp hệ thống năng lượng gió và năng lượng mặt trời có thể cung cấp một phần nhu cầu năng lượng điện của cho hệ thống điện [8].

Sự kết hợp này có thể cung cấp độ tin cậy tốt hơn và tiết kiệm hơn cũng như sẽ bổ sung vào nhau để nâng cao năng suất hoạt động.3: Sơ đồ kết hợp giữa năng lượng gió và năng lượng mặt trời.[2] Tích hợp nguồn nang luợng gió và nang luợng mạt trời với luới điẹn đang là xu huớng phát triển hiẹn nay của các quốc gia trên thế giới nhằm khai thác triẹt để nguồn nang luợng sạch, giảm thiểu ô nhiễm môi truờng và phá hủy môi truờng sinh thái. Các nghiên cứu tính khả thi của việc tích hợp các tấm pin mặt trời quang điện (PV) và tuabin gió vào lưới điện cũng bằng cách lưu trữ năng lượng [9]. Tuy nhiên, các hẹ thống tích hợp này thuờng đuợc áp dụng trong các hẹ thống nhỏ, công suất vài chục MVA [10-12]. Ở Việt Nam, việc nghiên cứu ứng dụng hệ thống tích trữ năng lượng nhiệt mặt trời [13] và năng lượng điện gió [14-15] trong hệ thống điện đã được triển khai.

Thực tiễn, nhiều dự án thực hiện tích hợp năng lượng gió và năng lượng mặt trời đã được triển khai ở nhiều tỉnh gần biển, tiêu biểu như sau: + “Dự án xây dựng mô hình trình diễn ứng dụng năng lượng mặt trời kết hợp năng lượng gió và đèn LED tiết kiệm điện phục vụ chiếu sáng, tưới lan và làm mát san hô tại trụ sở Trung tâm Ứng dụng tiến bộ KH&CN”. 6 Luan van Hình 1.4: Lắp đặt Tuabin gió và pin mặt trời tại tỉnh Bà Rịa – Vũng tàu.[23] + “Dự án tổng thể năng lượng sạch và chiếu sáng quần đảo Trường Sa và Nhà Dàn DK” được xây dựng trên đảo Trường sa Việt Nam”. 7 Luan van Hình 1.5: Lắp đặt tuabin gió và pin mặt trời tại Trường Sa [24] + “Dự án phát điện kết hợp năng lượng mặt trời, sức gió giúp giảm tải cho điện lưới Quốc gia đã hoàn thành và chính thức đưa vào sử dụng tại Ga Nha Trang (tỉnh Khánh Hòa)”.6: Mô hình kết hợp năng lượng gió và mặt trời tại Ga Nha Trang[25]. 8 Luan van Các nghiên cứu về điều khiển máy phát điện gió đã được thực hiện thông qua việc điều khiển dùng DFIG [ tài liệu] và Ngày nay, với sự phát triển vuợt bạc của khoa học công nghẹ, các hẹ thống tích hợp này đã đuợc triển khai trong các ứng dụng có công suất lớn, khoảng vài trăm MVA [16].

Hon nữa, viẹc hòa luới và kết hợp với các nguồn nang luợng có công suất lớn từ các nhà máy máy thủy điẹn, nhiẹt điẹn là xu huớng tất yếu. Trong [17], nang luợng gió, nang luợng mạt trời tích hợp với các máy phát điẹn phân tán đã đuợc nghiên cứu và phần nào kh ng định đuợc tính thiết thực trong xu huớng trên. Để hệ thống tích hợp năng lượng điện gió và mặt trời làm việc ổn định và hiệu quả trong lưới điện thông minh cần phải có các hệ thống điều khiển linh hoạt, khắc phục được những tác động của các yếu tố ngẫu nhiên như bức xạ mặt trời, tốc độ gió,. Do đó, các nghiên cứu về bộ điều khiển nối lưới điện cho hệ thống kết hợp tuabin gió và nguồn pin mặt trời được công bố; Với những hẹ thống phát điẹn tích hợp này, viẹc thiết kế các bộ điều khiển nhằm giảm dao đọng và nâng cao đọ ổn định hẹ thống đóng vai trò rất quan trọng.

Vì dao động này có thể xuất phát từ sự thay đổi liên tục, ngẫu nhiên của tốc độ gió, từ sự thay đổi cuờng độ của ánh sáng mạt trời hay từ các nhiễu tác đọng trực tiếp lên các máy phát điẹn. Trong đó, bộ điều khiển PID là một trong những phuong pháp đơn giản và mang lại hiẹu quả cao nhằm nâng cao độ ổn định hẹ thống đuợc đạt ngay tại bộ chỉnh luu trong đuờng dây truyền tải điẹn một chiều điẹn áp cao [20].