Tài liệu Nghiên cứu phương pháp điều khiển thiết bị tích trữ năng lực trong hệ thống phong điện

.. ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP PHẠM ĐỨC ĐỀ TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG PHONG ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Thái Nguyên 2016 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP PHẠM ĐỨC ĐỀ TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG PHONG ĐIỆN Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Nguyễn Như Hiển Thái Nguyên 2016 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN Độc lập – Tự do – Hạnh phúc LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Họ và tên học viên: Phạm Đức Đề Ngày tháng năm sinh: Ngày 23 tháng 4 năm 1970 Quê quán: Huyện Đông Hưng - Tỉnh Thái Bình Nơi công tác: Sở Công Thương tỉnh Quảng Ninh Cơ sở đào tạo: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Khóa học: 2013 - 2015 TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG PHONG ĐIỆN KHOA CHUYÊN MÔN PHÒNG ĐÀO TẠO NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC Thái Nguyên 2016 Luận văn tốt nghiệp ngành Kỹ thuật điện LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Phạm Đức Đề Sinh ngày 23 tháng 4 năm 1970 Học viên lớp cao học khóa 16 - Kỹ thuật điện - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - ĐH Thái Nguyên. Hiện đang công tác tại: Sở Công Thương tỉnh Quảng Ninh. Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tác giả. Nội dung trong luận văn đúng như trong đề cương và yêu cầu của Thầy giáo hướng dẫn, tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Nếu sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm. Tác giả luận văn Phạm Đức Đề Phạm Đức Đề K16- KTĐ- ĐHKTCN Thái Nguyên 1 Luận văn tốt nghiệp ngành Kỹ thuật điện LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương, được sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của Thầy giáo PGS. TS Nguyễn Như Hiển, luận văn với đề tài: “ Nghiên cứu phương pháp điều khiển thiết bị tích trữ năng lượng trong hệ thống phong điện” đã hoàn thành. Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến: Thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Như Hiển đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn này. Phòng Đào tạo, các Thầy giáo, Cô giáo Khoa điện - Trường Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp - ĐH Thái Nguyên đã tận tình giúp tôi trang bị những tri thức mới, hữu ích, tạo điều kiện, môi trường thuận lợi nhất trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn. Xin chân thành cám ơn các bạn đồng nghiệp đã hợp tác chia sẻ, cung cấp thông tin, tài liệu, số liệu phục vụ cho nghiên cứu đề tài. Tôi xin gửi lời tri ân sâu sắc đến gia đình và những người bạn đã động viên, hỗ trợ tôi rất nhiều trong suốt quá trình học tập, làm việc và thực hiện luận văn. Thái Nguyên, tháng 12 năm 2015 HỌC VIÊN Phạm Đức Đề Phạm Đức Đề K16- KTĐ- ĐHKTCN Thái Nguyên 2 Luận văn tốt nghiệp ngành Kỹ thuật điện MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN............................................................................................ 1 LỜI CẢM ƠN……….........……….......................................………….……. MỤC LỤC ………………………….....................................................…..... 2 3 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU……………………………....…………… DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ……………...........................… MỞ ĐẦU………………………………………………………...………...... 5 6 8 CHƯƠNG I: NGHIÊN CỨU KHÁI QUÁT VỀ NĂNG LƯỢNG MỚI VÀ NGUỒN ĐIỆN ĐỘC LẬP 1.1 Giới thiệu khái quát về hệ thống năng lượng mới..................................... 1.1.1 Các nguồn và công nghệ năng lượng mới.............................................. 14 14 1.1.2 Vai trò của nguồn năng lượng mới......................................................... 1.1.3 Nguồn năng lượng mới ở Việt Nam....................................................... 1.2 Khái niệm về hệ thống điện độc lập.......................................................... 1.2.1 Giới thiệu chung..................................................................................... 1.2.2 Vấn đề đảm bảo chất lượng điện năng.................................................... 14 15 16 16 17 1.3 Thiết bị tích trữ năng lượng....................................................................... 1.3.1 Bộ tích trữ năng lượng một chiều dùng ắc quy....................................... 1.3.2 Thiết bị tích trữ năng lượng siêu tụ......................................................... 1.3.3 Các yêu cầu chính đối với thiết bị tích trữ năng lượng........................... 1.3.3.1 Hệ thống có khả năng đáp ứng dài hạn, tốc độ chậm.......................... 19 19 22 25 26 1.3.3.2 Hệ thống có khả năng đáp ứng ngắn hạn, tốc độ cao.......................... 1.4 Vấn đề điều khiển thiết bị kho điện........................................................... 1.5 Các nhiệm vụ cần giải quyết của luận văn................................................ 1.5.1. Lựa chọn thiết bị kho điện..................................................................... 1.5.2 Lựa chọn hệ thống biến đổi điện năng.................................................... 27 28 30 30 30 1.5.3 Lựa chọn điều kiện các bộ biến đổi........................................................ 31 1.6: Kết luận chương 1………………………………………………….…. 31 CHƯƠNG II: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THIẾT BỊ KHO ĐIỆN SỬ DỤNG SIÊU TỤ 2.1 Giới thiệu các bộ biến đổi DC- DC........................................................... 32 Phạm Đức Đề K16- KTĐ- ĐHKTCN Thái Nguyên 3 Luận văn tốt nghiệp ngành Kỹ thuật điện 2.2 Các bộ biến đổi DC- DC giảm tăng áp không cách ly.............................. 2.2.1 Bộ biến đổi giảm áp ( buck)................................................................... 2.2.2 Bộ biến đổi tăng áp (boost).................................................................... 2.3 Mô hình thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ................................................. 33 33 36 39 2.3.1 Cấu trúc thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ.............................................. 2.3.2 Thiết kế kho điện.................................................................................... 2.3.3 Mô hình biến đổi DC- DC dùng trong thiết bị kho điện......................... 2.4 Kết luận Chương II.................................................................................... 40 41 44 47 CHƯƠNG III: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ BIẾN ĐỔI DC- DC 3.1 Giới thiệu chung........................................................................................ 48 3.1.1 Bộ biến đổi PID...................................................................................... 48 3.1.2 Phương pháp tối ưu độ lớn..................................................................... 51 3.2 Cấu trúc điều khiển hệ thống.................................................................... 52 3.3 Hàm truyền đạt DC-DC............................................................................. 53 3.3.1 Xây dựng hàm truyền đạt theo chiều boot.............................................. 53 3.3.2 Xây dựng hàm truyền đạt theo chiều buck............................................. 3.4 Tổng hợp bộ điều khiển............................................................................. 3.4.1 Tổng hợp bộ điều khiển của bộ biến đổi buck........................................ 3.4.2 Tổng hợp bộ điều khiển của bộ biến đổi boost....................................... 3.4.3 Tổng hợp bộ điều khiển của bộ biến đổi buck – boost........................... 55 56 56 57 57 3.5 Kết luận Chương III................................................................................... 57 CHƯƠNG IV: ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CHO BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC, DC-AC 4.1 Giới thiệu chung........................................................................................ 4.2 Bộ biến đổi DC- DC.................................................................................. 4.2.1 Bộ biến đổi DC- DC giảm ..................................................................... 4.2.2 Mạch DC- DC tăng áp............................................................................ 4.3 Mạch DC- AC............................................................................................ 4.3.1 Sơ đồ lắp ráp của bộ biến đổi DC-AC.................................................... 4.3.2 Kết quả thực nghiệm............................................................................... 4.4 Kết luận .................... ................................................................................ KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................................... TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................... Phạm Đức Đề K16- KTĐ- ĐHKTCN Thái Nguyên 58 58 58 61 64 64 64 65 66 68 4 Luận văn tốt nghiệp ngành Kỹ thuật điện DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Phân loại kho năng lượng theo thời gian .....................................25 Bảng 1.2 Phân loại kho năng lượng theo hình thức tích lũy........................26 Phạm Đức Đề K16- KTĐ- ĐHKTCN Thái Nguyên 5 Luận văn tốt nghiệp ngành Kỹ thuật điện DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Minh họa hệ thống điện độc lập................................................... 17 Hình 1.2 Cấu tạo của ắc quy chì.................................................................. 20 Hình 1.3 Cấu trúc siêu tụ - hai lớp.............................................................. 23 Hình 1.4 Hình dáng bên ngoài của siêu tụ.................................................. 24 Hình 1.5 Minh họa thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ.................................. 28 Hình 2.1 Bộ biến đổi tăng - giảm áp…………………………….……….. 32 Hình 2.2 Bộ biến đổi buck.......................................................................... 34 Hình 2.3 Mạch boost cơ bản....................................................................... 37 Hình 2.4 Mạch boost với khóa ở trạng thái đóng và mở............................. 37 Hình 2.5 Điện áp và dòng điện của bộ biến đổi ở chế độ liên tục............... 37 Hình 2.6 Thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ được tích hợp vào nguồn điện độc lập theo phương án bù phân tán............................................. 40 Hình 2.7 Cấu trúc mạch lực biến đổi DC-DC dùng trong siêu tụ............... 44 Hình 2.8 Phân tích các cấu hình mạch điện DC-DC ở chế độ nạp............. 45 Hình 2.9 Phân tích các cấu hình mạch điện DC-DC ở chế độ xả............... 46 Hình 3.1 Bộ điều khiển theo quy luật PID.................................................. 49 Hình 3.2 Dải tần số mà ở đó có biên độ hàm đặt bằng 1 càng rộng càng tốt 51 Hình 3.3 Cấu trúc chung của bộ biến đổi DC-DC...................................... Hình 3.4 Mô hình đơn giản của bộ biến đổi boot........................................ 54 Hình 3.5 Mô hình đơn giản của bộ biến đổi buck....................................... 55 Hình 4.1 Bộ biến đổi DC-DC và DC- AC cho siêu tụ................................ 58 Hình 4.2 Mạch giảm áp sử dụng IC LM2569S........................................... 58 Hình 4.3 Sơ đồ nguyên lý mạch giảm áp sử dụng IC LM2569S................ 59 Hình 4.4 Điện áp đầu vào mạch giảm áp sử dụng IC LM2569S................ 59 Hình 4.5 Hình 4.6 Điện áp đầu ra nhỏ nhất của mạch giảm áp sử dụng IC LM2569S 53 60 Điện áp đầu ra nhỏ nhất của mạch giảm áp sử dụng IC 60 Phạm Đức Đề K16- KTĐ- ĐHKTCN Thái Nguyên 6 Luận văn tốt nghiệp ngành Kỹ thuật điện LM2569S Hình 4.7 Mạch tăng áp sử dụng IC XL6009............................................... 61 Hình 4.8 Sơ đồ khai triển của IC XL6009.................................................. 61 Hình 4.9 Sơ đồ nguyên lý của mạch tăng áp sử dụng IC XL6009.............. 62 Hình 4.10 Điện áp vào của mạch tăng áp sử dụng IC XL6009..................... 62 Hình 4.11 Điện áp ra lớn nhất của mạch tăng áp sử dụng IC XL6009......... 63 Hình 4.12 Điện áp ra 20V của mạch tăng áp sử dụng IC XL6009............... 63 Hình 4.13 Sơ đồ lắp ráp bộ biến đổi DC – AC............................................. 64 Hình 4.14 Điện áp ra hình sin 220V bộ biến đổi DC – AC ......................... 64 Hình 4.15 Điện áp ra hình sin 220V nhìn gần.............................................. 65 Phạm Đức Đề K16- KTĐ- ĐHKTCN Thái Nguyên 7 Luận văn tốt nghiệp ngành Kỹ thuật điện MỞ ĐẦU Trong các nguồn năng lượng thì điện năng giữ một vai trò đặc biệt quan trọng trong phát triển kinh tế xã hội của một địa phương, một đất nước. Nhưng có một thực tế là nhiều địa phương hiện nay lưới điện quốc gia không có khả năng vươn tới. Hệ thống điện ở những khu vực đó tạm gọi tên là hệ thống điện độc lập. Chẳng hạn, tỉnh Quảng Ninh có vị trí địa lý, kinh tế và chính trị rất quan trọng. Với nguồn tài nguyên thiên nhiên phong phú và đa dạng, có vai trò to lớn hơn đối với sự nghiệp phát triển đất nước. Nhưng vẫn còn một số địa phương của tỉnh như Đảo Trần, huyện Cô Tô và đảo Cái Chiên, huyện Hải Hà hiện chưa có lưới điện quốc gia. Xã Cái Chiên có diện tích 2.500 ha, nhưng đa phần là đồi núi và bãi biển; trong đó, chỉ có 108 ha đất nông nghiệp cấy lúa và trồng mầu. Cả xã có 154 hộ và 552 nhân khẩu. Việc đi lại giữa Cái Chiên với đất liền quá khó khăn. Hiện chưa có cảng cập tàu phía đất liền. Đảo Cái Chiên đang sử dụng máy phát diezen: 03 trạm phát tổng công suất 400kVA, trạm 1, trạm 2 gồm 04 máy, công suất mỗi máy 80kVA và trạm 3 gồm 02 máy, công suất mỗi máy 40kVA. Đảo Trần là đảo thuộc xã Thanh Lân huyện Cô Tô có bốn mặt giáp biển, địa hình chủ yếu là đồi núi có đỉnh cao nhất là 145m so với mặt nước biển. Trên đảo có các con suối nhỏ và một số hồ chứa nước nhân tạo mới xây dựng nhằm dự trữ nước ngọt phục vụ sinh hoạt cho các đơn vị bộ đội đóng quân trên đảo. Đảo Trần có duy nhất một con đường bê tông từ cảng Vụng Tây sang Cảng Vụng Đông, ngoài ra còn có các đường nội bộ của cán bộ, chiến sỹ trên đảo làm nhiệm vụ tuẩn tra trên đảo và hải đăng. Nguồn điện cung cấp cho đảo là 01 máy phát điện công suất 180kVA. Chiến lược biển Việt Nam đến năm 2020 đã chỉ rõ, phải phấn đấu để nước ta trở thành một quốc gia mạnh về biển, giàu lên từ biển, bảo vệ vững chắc chủ quyền, quyền chủ quyền quốc gia trên biển, góp phần giữ vững ổn định và phát triển đất nước; kết hợp chặt chẽ giữa phát triển kinh tế – xã hội với Phạm Đức Đề K16- KTĐ- ĐHKTCN Thái Nguyên 8 Luận văn tốt nghiệp ngành Kỹ thuật điện đảm bảo quốc phòng, an ninh và bảo vệ môi trường; có chính sách hấp dẫn nhằm thu hút mọi nguồn lực cho phát triển kinh tế biển; xây dựng các trung tâm kinh tế lớn vùng duyên hải gắn với các hoạt động kinh tế biển làm động lực quan trọng đối với sự phát triển của cả nước. Phấn đấu đến năm 2020, kinh tế biển đóng góp khoảng 53 – 55% GDP, 55 – 60% kim ngạch xuất khẩu của cả nước, giải quyết tốt các vấn đề xã hội, cải thiện một bước đáng kể đời sống của nhân dân vùng biển và ven biển. Do đó, điện cung cấp cho sản suất và phát triển kinh tế - xã hội là rất cần thiết, dù là lưới điện quốc gia hay mạng độc lập đều phải cung cấp điện năng với chất lượng đảm bảo theo yêu cầu kỹ thuật. Nguồn điện độc lập sinh ra từ các tổ hợp phát điện diesel, quy mô phụ tải nhỏ và vừa, lưới điện có dung lượng hạn chế mang tính chất lưới yếu độc lập hoàn toàn với lưới điện quốc gia mang tính chất lưới cứng. Các nguồn năng lượng tái tạo đặc biệt là năng lượng gió được xem là một nguồn năng lượng tiềm năng để bổ sung cho hệ thống điện độc lập. Hệ thống điện độc lập thông thường lấy nguồn năng lượng từ tổ hợp phát điện diesel làm nền, là nguồn cung cấp năng lượng chính, nguồn năng lượng từ hệ thống phát điện sức gió (PĐSG) được huy động để giảm thiểu lượng tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch [3]. Nguyên tắc cơ bản để một hệ thống điện ổn định là sự cân bằng công suất giữa nguồn phát và tải tiêu thụ. Mối quan hệ cân bằng nói trên phản ánh sự cân bằng giữa công suất cơ của các nguồn năng lượng cơ sơ cấp cung cấp cho các máy phát với công suất điện tiêu thụ của phụ tải và các tổn hao. Trong hệ thống PĐSG, công suất cơ sản sinh từ turbine gió lại biến động thất thường theo tốc độ gió, ngẫu nhiên và không thể điều khiển được [16, 90]. Khi một hệ thống PĐSG hòa vào lưới quốc gia thì phải tuân theo những tiêu chuẩn cơ bản của nhà quản trị về điện áp, tần số, sóng hài được quy định trong Grid-Codes, lưới điện quốc gia coi như một kho năng lượng vô hạn có khả năng hấp thụ tất cả lượng công suất phát vào. Với hệ thống điện độc lập, công suất nguồn phát lẫn dung lượng dây truyền tải là hữu hạn. Hệ thống điện độc lập mang đặc điểm lưới yếu, Phạm Đức Đề K16- KTĐ- ĐHKTCN Thái Nguyên 9 Luận văn tốt nghiệp ngành Kỹ thuật điện quán tính thấp nên rất nhạy cảm với những biến động của cả nguồn phát cũng như phụ tải. Đảm bảo nguyên tắc cân bằng cân bằng công suất nói trên, hệ thống điều khiển giám sát (SCADA) có những sự tác động mang tính chất điều độ để vận hành lưới ổn định như: Điều chỉnh công suất nguồn phát, sa thải phụ tải. Khi điều chỉnh công suất nguồn phát, hệ thống điện độc lập có hai khả năng tác động: Điều chỉnh nguồn phát sức gió và điều chỉnh nguồn phát diesel. Với hệ thống PĐSG, công suất đầu ra không chủ động huy động được vì phụ thuộc vào yếu tố gió tự nhiên. Với nguồn phát diesel, tác động điều độ có thể diễn ra chủ động theo cả chiều tăng và giảm công suất nguồn phát. Khi nguồn phát sức gió được huy động cùng với nguồn phát diesel, sự chia sẻ công suất tác dụng giữa các nguồn phát dẫn tới đòi hỏi điều chỉnh công suất liên tục đưa tới hệ thống điều khiển tốc độ của động cơ diesel để điều chỉnh công suất cơ của động cơ sơ cấp. Trong khi đó ở hệ thống điện độc lập, nguồn phát diesel đóng vai trò hình thành lưới, tần số lưới tỷ lệ với tốc độ quay của động cơ sơ cấp diesel. Chính hiện tượng điều chỉnh liên tục công suất nguồn phát làm cho tần số lưới luôn biến động gây suy giảm nghiêm trọng chất lượng điện năng, ảnh hưởng tiêu cực đến sự hoạt động của các thiết bị điện cũng như chính bản thân tuổi thọ của động cơ diesel. Vì vậy, để khai thác hiệu quả năng lượng gió trong hệ thống điện độc lập cần thiết phải có giải pháp kỹ thuật phù hợp để giảm thiểu hiện tượng biến động công suất sao cho chất lượng điện năng (tần số) của cả hệ thống phải được đảm bảo phù hợp với một số tiêu chuẩn IEEE 1547.4, EN 50160 hoặc IEC cho phép tần số lưới có sai lệch 50 ± 1%. Một trong những giải pháp phát huy được hiệu quả đó là sử dụng thiết bị kho điện để bổ sung công suất thiếu hụt hoặc hấp thụ công suất dư thừa của nguồn phát sức gió qua đó làm trơn (smoothing) công suất đầu ra của các hệ thống PĐSG. Siêu tụ có những ưu thế vượt trội so với các công nghệ tích trữ năng lượng khác trong những ứng dụng đòi hỏi động học nhanh. Thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ Phạm Đức Đề K16- KTĐ- ĐHKTCN Thái Nguyên 10 Luận văn tốt nghiệp ngành Kỹ thuật điện (SCESS – Supercapacitor Energy Storage Systems) bao gồm siêu tụ và hệ thống biến đổi năng lượng (tầng công suất) có khả năng trao đổi công suất hai chiều đã được một số nhà khoa học nghiên cứu, thử nghiệm tích hợp trong hệ thống điện với mục tiêu đảm bảo chất lượng điện năng. Các chiến lược điều khiển và cấu trúc điều khiển của các công trình nghiên cứu trước đây phong phú nhưng vấn đề điều khiển bộ biến đổi DC-DC hai chiều còn nhiều hạn chế như: điều khiển tách biệt hai chiều năng lượng đòi hỏi phải có khóa chuyển giữa các chế độ; hoặc điều khiển hợp nhất hai chiều năng lượng sử dụng một cấu trúc điều khiển nhưng cơ sở thiết kế bộ điều khiển không tường minh do thiếu một mô hình động học phù hợp với các phương pháp điều khiển tuyến tính, phi tuyến. Những tồn tài đó dẫn tới nguy cơ suy giảm chất lượng hay thậm chí hệ mất ổn định khi điểm công tác thay đổi, tham số của hệ thay đổi [1][2][3]. Vì vậy, trong luận văn này, tác giả thực hiện phân tích các chế độ làm việc của bộ biến đổi DC-DC hai chiều không cách ly để dẫn tới một mô hình động học mô tả thống nhất hai chiều năng lượng. Các phương pháp điều khiển tuyến tính bước đầu được áp dụng đối với mô hình động học thống nhất hai chiều năng lượng của hệ. Đối tượng nghiên cứu: Thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ với ba thành phần: Siêu tụ, bộ biến đổi DC-DC hai chiều. Mục đích nghiên cứu: Đề xuất cấu trúc điều khiển thích hợp và có hiệu quả đối với hệ thống kho điện sử dụng siêu tụ để đảm bảo chất lượng điện năng của hệ thống điện độc lập nguồn phát hỗn hợp gió – diesel. Kiểm chứng cấu trúc điều khiển hệ thống kho điện được đề xuất thông qua những minh chứng bằng lý thuyết và thực nghiệm. Phương pháp nghiên cứu: Phạm Đức Đề K16- KTĐ- ĐHKTCN Thái Nguyên 11 Luận văn tốt nghiệp ngành Kỹ thuật điện Nghiên cứu trên lý thuyết các thuật toán điều khiển thiết bị kho điện đảm bảo tính ổn định, chất lượng điện năng của hệ thống điện độc lập nguồn phát hỗn hợp gió – diesel. Kiểm chứng khả năng làm việc của các cấu trúc điều khiển đề xuất cho SCESS trên công cụ mô phỏng và thực nghiệm. Phạm vi nghiên cứu: Hệ thống điện độc lập được vận hành ở chế độ gió biến động ngẫu nhiên, không xem xét đến điều kiện thời tiết khắc nghiệt như bão. Phụ tải của hệ thống được giả thiết: Phân bố tập trung, đối xứng với hai dạng thuần trở và tải trở cảm. Thiết bị kho điện không vận hành ở chế độ sự cố lưới: Ngắn mạch, lồi/lõm điện áp, mất đối xứng điện áp/dòng điện. Thiết bị kho điện chỉ thực hiện chức năng ổn định ngắn hạn công suất từng turbine PĐSG riêng rẽ (bù phân tán); không xử lý vấn đề hỗ trợ phụ tải đỉnh. Ý nghĩa của đề tài: Trong những năm gần đây, các hệ thống phát điện sức gió trên thế giới cũng như trong nước phát triển mạnh mẽ. Với đặc điểm là một tỉnh giàu tài nguyên gió, do có các khu vực hải đảo rộng lớn, nhưng chưa thể đi vào vận hành khai thác hiệu quả do chưa có cấu trúc và thiết kế cụ thể, để giải quyết vấn đề giảm thiểu sự ảnh hưởng của hiện tượng biến động công suất đầu ra của turbine PĐSG đến hệ thống điện độc lập. Luận văn đặt ra mục tiêu thiết kế cấu trúc điều khiển quá trình trao đổi năng lượng của thiết bị kho điện nhằm ổn định ngắn hạn công suất đầu ra của turbine PĐSG, qua đó đảm bảo chất điện năng trong hệ thống điện độc lập nguồn phát hỗn hợp gió – diesel. Với những tiền đề như vậy luận văn hứa hẹn đem lại những ý nghĩa tích cực về mặt khoa học lẫn thực tiễn: Ý nghĩa khoa học: Chỉ ra khả năng ổn định công suất đầu ra của mỗi turbine PĐSG bằng thiết bị kho điện SCESS với những cấu trúc điều khiển Phạm Đức Đề K16- KTĐ- ĐHKTCN Thái Nguyên 12 Luận văn tốt nghiệp ngành Kỹ thuật điện thích hợp sẽ nâng cao chất lượng điện năng trong hệ thống điện độc lập nguồn phát hỗn hợp gió – diesel. Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu này sẽ là tiền đề cho việc tích hợp thiết bị kho điện phù hợp với một số lưới điện độc lập nói riêng và hệ thống điện vi lưới cô lập nói chung tại Việt Nam để nâng cao độ tin cậy vận hành, giảm thiểu sự tiêu thụ năng lượng hóa thạch so với lưới điện truyền thống (chưa tích hợp kho điện). Bố cục luận án gồm 4 Chương chính như sau: CHƯƠNG I. NGHIÊN CỨU KHÁI QUÁT VỀ NĂNG LƯỢNG MỚI VÀ NGUỒN ĐIỆN ĐỘC LẬP Giới thiệu về năng lượng mới và tái tạo. Đưa ra cấu trúc hệ thống điện hải đảo và thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ. Từ đó nêu những vấn đề mà luận văn cần tập trung nghiên cứu, giải quyết. CHƯƠNG II. XÂY DỰNG MÔ HÌNH THIẾT BỊ KHO ĐIỆN SỬ DỤNG SIÊU TỤ Trình bày về mô hình toán của siêu tụ, bộ biến đổi DC-DC hai chiều không cách ly và nghịch lưu nguồn áp DC-AC. Cấu trúc điều khiển tổng thể của SCESS và cấu trúc điều khiển chi tiết của các bộ biến đổi DC-AC và DCDC. CHƯƠNG III. THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC Các kết quả thu được trên phần mềm mô phỏng MATLAB/Simulink và mô hình thí nghiệm SCESS chứng minh cho khả năng làm việc, hiệu quả của những giải pháp được đề xuất. CHƯƠNG IV. ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CHO BỘ BIẾN ĐỔI DCDC, DC-AC KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ chỉ ra những đóng góp của luận văn và hướng phát triển tiếp theo. Phạm Đức Đề K16- KTĐ- ĐHKTCN Thái Nguyên 13 Luận văn tốt nghiệp ngành Kỹ thuật điện CHƯƠNG I NGHIÊN CỨU KHÁI QUÁT VỀ NĂNG LƯỢNG MỚI VÀ NGUỒN ĐIỆN ĐỘC LẬP 1.1. Giới thiệu khái quát về hệ thống năng lượng mới 1.1.1. Các nguồn và công nghệ năng lượng mới Năng lượng loài người đang sử dụng được xuất phát từ nhiều nguồn khác nhau, có thể kể đến như sau: - Từ thiên nhiên: Than đá, than bùn, dầu, khí thiên nhiên và địa nhiệt,...theo ước tính thì khoảng độ 80 năm nữa nguồn năng lượng hóa thạch sẽ bị cạn kiệt vì con người đã và đang sử dụng nhanh hơn mức tái tạo của thiên nhiên. - Từ nhân tạo: Nguồn năng lượng nguyên tử, năng lượng từ gió, năng lượng từ ánh sáng mặt trời và năng lượng thủy triều,…trong đó đáng kể là năng lượng gió và năng lượng mặt trời có tiềm năng rất to lớn. Tuy nhiên, do hạn chế về công nghệ và giá thành sản xuất nên năng lượng gió và năng lượng mặt trời chưa được phát triển ở những nước đang phát triển. 1.1.2. Vai trò của nguồn năng lượng mới Công nghệ năng lượng mới hiện nay đã được phát triển mạnh và đang trên đường thương mại hóa với giá thành ngày càng giảm, có thể đáp ứng được yêu cầu hiện nay gồm: - Thủy điện nhỏ. - Năng lượng ánh sáng mặt trời. - Năng lượng sức gió. - Năng lượng khác: Năng lượng sinh khối, năng lượng địa nhiệt, năng lượng thủy triều… Trong đó thủy điện nhỏ đã được phát triển khá mạnh trên thế giới cũng như tại Việt Nam, năng lượng mặt trời hiện nay đã được phát triển và ứng dụng Phạm Đức Đề K16- KTĐ- ĐHKTCN Thái Nguyên 14 Luận văn tốt nghiệp ngành Kỹ thuật điện mạnh mẽ với nhiều ưu điểm, các dạng năng lượng khác như năng lượng sinh khối, năng lượng địa nhiệt, năng lượng thủy triều chưa có khả năng phát triển tại thời điểm hiện tại do hạn chế về công nghệ và giá thành, riêng năng lượng gió đã được các nước phát triển nghiên cứu với qui mô công nghiệp. Tuy nhiên, do phụ thuộc vào vị trí địa lý nên hiện nay trên thế giới chỉ được phát triển mạnh ở một số nước Châu âu như: Hà Lan, Đức,… trong luận văn này tập trung nghiên cứu về hệ thống điện độc lập sử dụng năng lượng từ sức gió. 1.1.3. Nguồn năng lượng mới ở Việt Nam Việt Nam là một quốc gia đang phát triển, do đó nhu cầu năng lượng ngày càng tăng với tốc độ tăng trưởng khoảng (15-20)%. Hiện tại chính sách của Nhà nước về nhu cầu năng lượng dựa vào việc thiết lập hệ thống các nhà thủy điện, nhà máy nhiệt điện tua bin hơi và tua bin khí, một số dự án xây dựng nhà máy điện nguyên tử,… Tuy nhiên, để đảm bảo phát triển bền vững và đặc biệt cân bằng được năng lượng của quốc gia trong tương lai, Việt Nam đã và đang tập trung nghiên cứu phát triển các nguồn năng lượng mới trong đó: - Thủy điện nhỏ đã được quan tâm đầu tư phát triển mạnh mẽ trong vài năm gần đây và phần nào góp phần giảm thiếu hụt điện năng của hệ thống điện quốc gia. - Năng lượng gió đã được đầu tư nghiên cứu và xây dựng thử nghiệm nhưng hiệu quả chưa cao (trên đảo vịnh Bắc bộ và một số đảo phí nam). - Năng lượng mặt trời vẫn là một nguồn năng lượng tối ưu trong tương lai cho điều kiện Việt Nam đứng về phương diện địa dư và nhu cầu phát triển kinh tế. Nguồn năng lượng này sẽ góp phần vào: + Hạn chế hiệu ứng nhà kính và sự hâm nóng toàn cầu. + Giải quyết ô nhiễm môi trường do việc gia tăng dân số và phát triển xã hội của quốc gia trên thế giới. + Bổ túc vào sự thiếu hụt năng lượng trong tương lai khi nguồn năng lượng trong thiên nhiên sắp bị cạn kiệt. Phạm Đức Đề K16- KTĐ- ĐHKTCN Thái Nguyên 15 Luận văn tốt nghiệp ngành Kỹ thuật điện - Năng lượng địa nhiệt và thủy triều đã bước đầu đầu tư nghiên cứu và ứng dụng trên thế giới, tại Việt Nam do điều kiện về khoa học kỹ thuật và nền kinh tế chưa phát triển nên chưa được đầu tư nghiên cứu mặc dù với bờ biển trải dài từ bắc vào nam nên tiềm năng là rất lớn. - Năng lượng tái tạo đã được đầu tư nghiên cứu và đã phát triển, tuy nhiên do đặc thù của năng lượng tái tạo phân tán nhỏ lẻ khó tập trung nên chỉ thích hợp cho năng lượng nông thôn khó phát triển để sản xuất điện năng. 1.2. Khái niệm về hệ thống điện độc lập 1.2.1. Giới thiệu chung Hệ thống điện độc lập (RAPS - Remote Area Power Systems) là một hệ thống điện độc lập hoàn toàn với lưới điện quốc gia nằm ở những khu vực xa xôi – nơi mà lưới điện quốc gia không có khả năng vươn tới được. Hệ thống điện nói chung bao gồm các nhà máy điện, trạm biến áp, các đường dây tải điện và các thiết bị khác (như tụ bù, thiết bị bảo vệ,…) được liên kết với nhau. Đối với hệ thống điện độc lập truyền thống, nguồn phát điện thường là các trạm phát sử dụng năng lượng từ dầu Diezen (gọi là tổ hợp phát điện Diezen). Sự phát triển mạnh mẽ của các công nghệ năng lượng tái tạo, các turbine phát điện sức gió được tích hợp thêm vào hệ thống điện độc lập truyền thống với mục tiêu giảm tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch. Khi đó, hệ thống điện độc lập truyền thống trở thành một hệ thống điện với nguồn phát hỗn hợp như minh họa Hình 1.1. Hệ thống điện độc lập có thể phối hợp nhiều nguồn phát điện nhưng phổ biến nhất là hệ thống kết hợp giữa các hệ phát điện sức gió với các tổ hợp phát điện Diezen, hệ thống khi đó được gọi là hệ thống điện lai sức gió – Diezen . Hệ thống điện lai sức gió – Diezen được hình thành bởi một hoặc vài turbine phát điện sức gió kết hợp với một hoặc vài trạm phát điện diesel cung cấp điện năng cho phụ tải thông qua lưới điện hạ áp. Tùy theo quy mô và đặc điểm phân bố của phụ tải mà hệ thống điện lai sức gió – Diezen có thể có hoặc không có lưới truyền tải. Phụ tải điện của khu vực hải đảo chủ yếu là phụ tải 0,4kV. Phạm Đức Đề K16- KTĐ- ĐHKTCN Thái Nguyên 16 Luận văn tốt nghiệp ngành Kỹ thuật điện Ở chế độ độc lập hệ thống điện lai sức gió – Diezen tự chịu trách nhiệm về cân bằng giữa các nguồn phát với tải tiêu thụ để duy trì các chỉ tiêu chất lượng điện năng như tần số, điện áp trong giới hạn cho phép. Các nguồn phát trong hệ thống điện lai sức gió – Diezen bao gồm: nguồn phát có khả năng điều độ là những trạm phát điện diezen và những nguồn phát biến động thất thường từ turbine gió. Do đó, để đảm bảo chất lượng điện năng và độ tin cậy, hệ thống điện lai sức gió – Diezen thường được tích hợp thêm thiết bị tích trữ năng lượng tạm gọi tắt là kho điện (Energy Storage Systems – ESS). Thiết bị kho điện có thể được lắp đặt rải rác ở những vị trí cần bù (bù phân tán) hoặc lắp đặt tập trung ở bus kết nối tất cả các nguồn phát (bù tập trung) như thể hiện trên Hình 1.1. Hình 1.1:Minh họa hệ thống điện độc lập 1.2.2. Vấn đề đảm bảo chất lượng điện năng Hình 1.1: Minh họa hệ thống điện Độc lập 1.2.2 Vấn đề đảm bảo chất lượng điện năng Hệ thống điện lai sức gió – Diezen, công suất nguồn phát lẫn dung lượng lưới truyền tải là hữu hạn. Hệ thống điện lai sức gió – Diezen không trao đổi công suất với lưới điện quốc gia mà phải tự đảm bảo các chỉ tiêu chất lượng Phạm Đức Đề K16- KTĐ- ĐHKTCN Thái Nguyên 17