ĐẶT VẤN ĐỀ Khi siêu bão Sandy đổ bộ vào nước Mỹ (năm 2012) đã gây ra thiệt hại ước tính lên đến 71 tỷ USD, trong đó có thiệt hại nặng nề của hệ thống lưới điện, gây mất điện trên diện rộng cho 3,5 triệu hộ dân sử dụng điện. Từ đó đến nay, đã có nhiều cuộc tranh luận về hiệu quả của lưới điện phân tán so với lưới điện tập trung, đặc biệt là việc khai thác các lưới điện siêu nhỏ sẽ giảm thiểu thiệt hại của toàn bộ hệ thống điện trong trường hợp xảy ra thiên tai. Vậy lưới điện siêu nhỏ là gì? Có thể có nhiều định nghĩa cho khái niệm này, nhưng định nghĩa tương đối đầy đủ là của Navigan Research: “Lưới điện siêu nhỏ là một hệ thống năng lượng tích hợp bao gồm các nguồn năng lượng phân tán (DER - distributed energy resources), một số phụ tải và hệ thống đo đếm, hệ thống này có thể hoạt động như một lưới điện độc lập, tách khỏi lưới điện phân phối hiện hành”. [4] Ưu điểm của một lưới điện siêu nhỏ là có thể kết nối hoặc ngắt kết nối với lưới điện một cách linh hoạt, giảm nhu cầu sử dụng điện trên lưới, có khả năng sử dụng đồng thời điện lưới và điện năng lượng tái tạo để tăng hiệu quả… Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm đó, lưới điện siêu nhỏ cũng gặp nhiều thách thức như tần số, điện áp, chất lượng chỉ nằm ở mức chấp nhận được, cần không gian để lắp đặt hệ thống dự trữ, khó khăn trong việc đồng bộ lưới chính… Trong đó, việc ổn định điện áp trên BUS là một trong những vấn đề quan trọng cần được cân nhắc.
Để một lưới điện siêu nhỏ hoạt động ổn định thì việc quản lý, kiểm soát hệ thống đặc biệt điện áp trên BUS đóng vai trò quan trọng. Hãy thử tưởng tượng việc gì sẽ xảy ra nếu như điện áp trên BUS tăng quá cao hay sụt giảm quá thấp, rất nhiều thiết bị kết nối sẽ hư hỏng nặng dẫn đến thiệt hại nghiêm trọng về mặt kinh tế! Do đó, để có được một lưới điện siêu nhỏ ổn định và đạt hiệu quả thì việc ổn định điện áp trên BUS là một trong những công việc được đưa lên hàng đầu. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Nhận thấy tầm quan trọng và tiềm năng phát triển của một lưới điện siêu nhỏ cũng như trong lĩnh vực năng lượng xanh. Nhóm đã bắt đầu tìm hiểu và được sự phân công Trang 1 do an Đồ án Tốt nghiệp của khoa Đào tạo Chất lượng cao, với sự hướng dẫn của giảng viên Trương Việt Anh, chúng em tiến hành thực hiện đề tài: “Nghiên cứu ổn định điện áp trên BUS DC” 1.
MỤC TIÊU - Tìm hiểu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của một hệ thống Microgrid. - Nắm bắt cách thức hoạt động của một bộ chuyển đổi DC-DC. - Học được cách thiết kế và thi công bo mạch điện tử đơn giản. - Biết cách mô phỏng hệ thống trên phần mềm Psim.
- Có khả năng vận hành một số thiết bị mô phỏng nguồn năng lượng tái tạo. - Ổn định điện áp trên BUS DC ở 48 VDC, tải công suất nhỏ, khoảng 300W. PHẠM VI NGHIÊN CỨU Phạm vi nghiên cứu tập trung chủ yếu giải quyết các vấn đề sau: - Thiết kế kết cấu và xây dựng mô hình. - Xây dựng lưu đồ giải thuật, thiết kế, lập trình điều khiển cho hai khối (Bidirectional và P&O).
- Kết nối, vận hành mô phỏng, giám sát trên phần mềm. - Mô hình Microgrid có công suất tuỳ vào hệ thống xây dựng, có thể cung cấp cho cả một thành phố, hoặc một vùng nông thôn, thậm chí chỉ là 1 toà nhà, ở để tài chỉ nghiên cứu về giải thuật để ổn áp điện áp trên BUS DC, nên chỉ áp dụng cho điện áp 48VDC, tải là các bóng đèn sợi đốt, để mô phỏng các tải thực tế sử dụng. Ý NGHĨA VÀ NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA ĐỒ ÁN Nghiên cứu, xây dựng một lưới điện siêu nhỏ đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp điện. Nó chia sẻ bớt gánh nặng cho ngành điện, giảm thiểu nhu cầu sử dụng trên lưới chính, có thể sử dụng độc lập, tự cung cấp điện cho một khu vực, một công trình riêng biệt.
Ngoài ra, hệ thống sử dụng nguồn năng lượng tái tạo một cách hiệu quả, không gây ô nhiễm môi trường. Đồ án cung cấp một mô hình thực nghiệm ổn áp ở 48 VDC cho tải công suất vừa và nhỏ, mô hình tương đối mới ở Việt Nam. Sử dụng hiệu quả các module nguồn cách ly DC-DC công suất nhỏ, mô hình hoạt động độc lập với lưới điện. Sử dụng được giả thuật P&O thích nghi.
Trang 2 do an Đồ án Tốt nghiệp Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. GIỚI THIỆU LƯỚI ĐIỆN SIÊU NHỎ (MICROGRID). Microgrid (lưới điện siêu nhỏ) là một mô hình mạng lưới cung cấp điện qui mô nhỏ được thiết kế để cung cấp năng lượng cho một cộng đồng nhỏ với một đơn vị phát điện tại chỗ ở địa phương. Microgrid kết nối cả hệ thống phát điện và lưới điện, do đó sẽ hạn chế được tình trạng mất điện trong thời gian dài.
1 Mô hình Microgrid Lưới điện siêu nhỏ được tích hợp vào hệ thống cung cấp điện. Nó giúp cân bằng nhu cầu cung cấp và tiêu thụ giúp cho hệ thống trở nên linh hoạt và đáng tin cậy hơn. Năng lượng dư thừa sau khi sử dụng cục bộ có thể được bán cho lưới điện. Thuận lợi và khó khăn của việc phát triển lưới điện siêu nhỏ (Microgrid).
Thuận lợi Khả năng kết nối và ngắt kết nối khỏi lưới điện chính khi có sự cố một cách thuận tiện và có thể hoạt động một cách độc lập. Làm giảm nhu cầu điện trên lưới chính do đó ngăn ngừa sự cố quá tải lưới điện. Có thể sử dụng đồng thời cả điện lưới và nguồn điện từ năng lượng tái tạo để tăng hiệu quả. Khó khăn Trang 3 do an Đồ án Tốt nghiệp Điện áp, tần số và chất lượng điện năng chỉ nằm ở mức có thể chấp nhận được.
Cần phải có không gian để lắp đặt hệ thống dự trữ điện như bình ắc qui và bảo trì chúng. Đồng bộ hóa với lưới điện chính gặp khó khăn. Bảo vệ được hệ thống là rất khó. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG GIÓ 2.
NĂNG LƯỢNG GIÓ. Nguồn năng lượng gió Gió là một nguồn năng lượng bắt nguồn từ năng lượng mặt trời. Gió được tạo ra bởi sự nóng lên không đồng đều của khí quyển và sự duy chuyển của trái đất quanh mặt trời. Hướng duy chuyển của gió thường bị ảnh hưởng bởi điều kiện địa hình của bề mặt trái đất và hệ sinh thái thực vật.
Nguồn năng lượng này thường được thông qua các tuabin gió hiện đại để tạo ra điện. Ứng dụng của năng lượng gió Năng lượng gió được sử dụng để đẩy thuyền buồm trên sông và biển để vận chuyển hàng hóa và con người từ nơi này sang nơi khác. Năng lượng gió được sử dụng chạy máy bơm để vận chuyển nước từ mặt đất qua các cối xay gió và cũng được sử dụng chạy các máy xay bột để nghiền các loại ngũ cốc thành bột. Năng lượng gió ngày nay đang được sử dụng để tạo ra điện, một nguồn năng lượng sạch và thân thiện với môi trường.
Tiềm năng năng lượng gió ở Việt Nam Việt Nam nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa có nhiều thuận lợi để phát triển năng lượng gió. Việt Nam có tới 8.6% điện tích lãnh thổ được đánh giá rất tốt đề xây dựng các trạm điện gió có qui mô lớn. Tổng tiềm năng điện gió của Việt Nam khoảng 513.360 MW so với công suất của thủy điện Sơn La thì gấp hơn 200 lần. Khu vực vùng biển từ Quy Nhơn đến thành phố Hồ Chí Minh được đánh giá là khu vực có tiềm năng sản xuất điện gió lớn nhất thế giới, với tốc độ gió trung bình từ 7 đến 11 m/s.
Trong những năm gần đây thì các nhà đầu tư nước ngoài đã bắt đầu Trang 4 do an Đồ án Tốt nghiệp quan tâm nhiều hơn đến thị trường phát triển điện gió ở Việt Nam. Điển hình như là Janakuasa Pte Ltd tại Singapore và Ecotach Việt Nam đã có dự án xây dựng nhà máy điện gió Hiệp Thành với vốn đầu tư 3.37 nghìn tỷ đồng với công suất 78 MW, Unison eTech Co Ltd của Hàn Quốc và Tập đoàn Dầu khí Châu Á phát triển dự án điện gió Duyên Hải sẽ đầu tư 2.8 nghìn tỷ đồng với công suất 48.3 MW… Lợi thế và khó khăn của việc sử dụng năng lượng gió Lợi thế Năng lượng gió là một nguồn năng lượng bền vững. Gió sẽ không bao giờ hết không giống như các nguồn nhiên liệu hóa thạch như than đá và đầu khí. Năng lượng gió là một trong những nguồn năng lượng thân thiện với mội trường nhất hiện nay.
Hầu hết các nguồn năng lượng tái tạo được tạo ra không thông qua quá trình đốt cháy nên không tạo ra các khí carbon dioxide (CO2) và khí metan (CH4) vào khí quyển gây ra sự biến đổi khí hậu. Năng lượng gió là một nguồn năng lượng hoàn toàn miễn phí. Tạo ra được nguồn điện từ năng lượng gió sẽ giúp chúng gia giảm đi việc sử dụng các nguồn năng lượng từ hóa thạch, giúp chúng ta sẽ tồn tại lâu hơn và hỗ trợ các thế hệ tương lai. Năng lượng gió giúp tạo ra nguồn điện cung cấp cho các khu vực ở xa trung tâm mà các nguồn điện chính không thể cung cấp đến được.
Chi phí vận hành và bảo trì cho một hệ thống điện gió cũng khá thấp. Việc phát triển ngành năng lượng gió cũng giúp tạo ra nhiều việc làm hơn giải quyết vấn đề thiếu việc làm trên khu vực. Khó khăn Thiếu vốn và kinh phí. Thuế quan thấp cùng với chi phí đầu tư ban đầu cao trong các công nghệ mới hơn.
Thiếu nguồn nhân lực có trình độ cao để vận hành các hệ thống điện gió. Các ngành công nghiệp hỗ trợ việc phát triển năng lượng gió còn phát triển kém, công suất lưới điện còn yếu. Sự chậm trễ trong các dự án lớn do sự phức tạp trong chính sách pháp lý ở nước ta cùng với đó là sự không rõ ràng giá năng lượng trong tương lai. Trang 5 do an Đồ án Tốt nghiệp 2.
HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG GIÓ. Cấu trúc cơ bản của tua bin gió Hình 2. 2 Mô hình cấu tạo cơ bản tua bin gió. Cánh quạt (Blade) là cấu trúc vật lý được tối ưu hóa về mặt khí động học để giúp thu được sức gió tối đa trong điều kiện hoạt động bình thường.
Mỗi cánh quạt thường có chiều dài từ 20 m trở lên tùy thuộc vào nhu cầu năng lượng.