Tài liệu Nghiên cứu phương pháp điều khiển thiết bị tích trữ năng lượng trong hệ thống chiếu sáng công cộng sử dụng năng lượng mặt trời kết hợp với điện lưới

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn .. ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP HOÀNG VĂN LONG NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG CÔNG CỘNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KẾT HỢP VỚI ĐIỆN LƯỚI LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT THÁI NGUYÊN - 2016 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP HOÀNG VĂN LONG Tên đề tài: NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG CÔNG CỘNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KẾT HỢP VỚI ĐIỆN LƯỚI Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 60.52.02.02 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. NGUYỄN NHƯ HIỂN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn THÁI NGUYÊN - 2016 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Họ và tên học viên: Ngày tháng năm sinh: Quê quán: Nơi công tác: Cơ sở đào tạo: Chuyên ngành: Khóa học: Hoàng Văn Long Ngày 23 tháng 9 năm 1976 Tà Lùng - Phục Hòa Cao Bằng Trung tâm Khuyến công và Tư vấn phát triển công nghiệp Cao Bằng Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên Kỹ thuật điện 2013-2015 Tên đề tài: NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG CÔNG CỘNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KẾT HỢP VỚI ĐIỆN LƯỚI Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. NGUYỄN NHƯ HIỂN KHOA CHUYÊN MÔN GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Đỗ Trung Hải Nguyễn Như Hiển PHÒNG ĐÀO TẠO Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Đặng Danh Hoằng Luận văn tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là Hoàng Văn Long Sinh ngày 23 tháng 9 năm 1976 Học viên lớp cao học K16 - Kỹ thuật điện - Trường đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên. Hiện tôi công tác tại Trung tâm khuyến công và tư vấn phát triển công nghiệp Sở Công Thương Cao Bằng, tỉnh Cao Bằng. Tôi xin cam đoan những nội dung được trình bày trong luận văn là những nghiên cứu của riêng cá nhân tôi. Nội dung trong luận văn đúng như nội dung của đề cương được duyệt và yêu cầu của Thầy giáo hướng dẫn. Trong quá trình nghiên cứu và thực hiện tôi có tham khảo một số tài liệu, bài báo của các tác giả trong và ngoài nước. Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm./. HỌC VIÊN Hoàng Văn Long Hoàng Văn Long K16-KTĐ-ĐHKTCN Thái Nguyên Page i Luận văn tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình tìm hiểu và thực hiện luận văn "Nghiên cứu phương pháp điều khiển thiết bị tích trữ năng lượng trong hệ thống chiếu sáng công cộng sử dụng năng lượng mặt trời kết hợp với điện lưới", cùng với sự cố gắng nỗ lực của bản thân và rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ từ thầy giáo, cô giáo, gia đình, các bạn học viên và đặc biệt là sự quan tâm, hướng dẫn tận tình của thầy giáo PGS.TS. Nguyễn Như Hiển luận văn của tôi cơ bản đã hoàn thành. Tôi xin được bày tỏ lòng chân thành và biết ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên. Trong suốt thời gian qua các thầy cô đã tận tình truyền đạt cho tôi những kiến thức vô cùng quý báu và động viên tôi trong học tập cũng như trong cuộc sống. Đặc biệt, tôi xin chân thành cám ơn PGS.TS. Nguyễn Như Hiển, thầy đã tận tình chỉ bảo, tạo mọi điều kiện cho tôi hoàn thành luận văn và sửa chữa những sai sót trong suốt quá trình tôi thực hiện đề tài. Cuối cùng, tôi muốn bày tỏ lòng biết ơn chân thành, lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè... những người luôn bên cạnh, động viên, giúp đỡ tôi trong học tập và trong cuộc sống. Luận văn có được một số kết quả nhất định, tuy nhiên không thể tránh khỏi sai sót và hạn chế, kính mong được sự cảm thông và đóng góp ý kiến của thầy cô và các bạn./. Thái Nguyên, ngày 16 tháng 3 năm 2016 HỌC VIÊN Hoàng Văn Long Hoàng Văn Long K16-KTĐ-ĐHKTCN Thái Nguyên Page ii Luận văn tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ........................................................................................... ii MỤC LỤC ................................................................................................ iii TỪ NGỮ VIẾT TẮT ................................................................................ v DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................ vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ................................................................ vii MỞ ĐẦU ................................................................................................... 1 Chương 1. NGHIÊN CỨU KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MỚI VÀ NGUỒN ĐIỆN ĐỘC LẬP........................................................ 8 1.1. Các nguồn và công nghệ năng lượng mới.......................................... 8 1.2. Vai trò của nguồn năng lượng mới .................................................... 9 1.3. Nguồn năng lượng mới ở Việt Nam ................................................ 11 1.4. Khái niệm về hệ thống điện độc lập ................................................. 12 1.4.1. Giới thiệu chung ............................................................................ 12 1.4.2. Vấn đề đảm bảo chất lượng điện năng .......................................... 13 1.5. Thiết bị tích trữ năng lượng ............................................................. 15 1.5.1. Bộ tích trữ năng lượng một chiều dùng ắc quy............................. 15 1.5.2. Thiết bị tích trữ năng lượng siêu tụ ............................................... 17 1.5.3. Các yêu cầu chính đối với thiết bị tích trữ năng lượng ................. 20 1.6. Vấn đề điều khiển thiết bị kho điện ................................................. 24 1.7. Các nhiệm vụ cần giải quyết của luận văn ....................................... 26 1.8. Kết luận chương 1 ............................................................................ 26 Chương 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH THIẾT BỊ KHO ĐIỆN SỬ DỤNG SIÊU TỤ .......................................................................................... 27 2.1. Giới thiệu các bộ biến đổi DC - DC................................................. 27 2.2. Các bộ biến đổi DC - DC giảm tăng áp không cách ly .................... 28 2.2.1. Bộ biến đổi giảm áp (buck) ........................................................... 28 2.2.2. Bộ biến đổi tăng áp (boost) ........................................................... 31 2.3. Mô hình thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ........................................ 34 2.3.1. Cấu trúc thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ..................................... 35 Hoàng Văn Long K16-KTĐ-ĐHKTCN Thái Nguyên Page iii Luận văn tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện 2.3.2. Thiết kế kho điện ........................................................................... 35 2.3.3. Mô hình bộ biến đổi DC-DC dùng trong thiết bị kho điện ........... 39 2.4. Kết luận chương 2 ............................................................................ 42 Chương 3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC 43 3.1. Giới thiệu chung ............................................................................... 43 3.1.1. Bộ điều khiển PID ......................................................................... 43 3.1.2. Phương pháp tối ưu độ lớn ............................................................ 45 3.2. Cấu trúc điều khiển hệ thống ........................................................... 47 3.3. Hàm truyền đạt DC - DC ................................................................. 48 3.3.1. Xây dựng hàm truyền đạt theo chiều boost .................................. 48 3.3.2. Xây dựng hàm truyền đạt theo chiều buck ................................... 49 3.4. Tổng hợp bộ điều khiển ................................................................... 50 3.4.1. Tổng hợp bộ điều khiển của bộ biến đổi buck .............................. 50 3.4.2. Tổng hợp bộ điều khiển của bộ biến đổi boost ............................. 51 3.4.3. Tổng hợp bộ điều khiển của bộ biến đổi buck - boost .................. 51 3.5. Kết luận chương 3 ............................................................................ 51 Chương 4. ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CHO BỘ BIẾN ĐỔI DC - DC, DC - AC ........................................................................................... 52 4.1. Giới thiệu chung ............................................................................... 52 4.2. Bộ biến đổi DC - DC ........................................................................ 52 4.2.1. Bộ DC - DC giảm áp: Được giới thiệu như trên hình 4.2 ............. 52 4.2.2. Mạch DC - DC tăng áp: Được giới thiệu như trên hình 4.7 ......... 54 4.3. Mạch DC - AC ................................................................................. 57 4.3.1. Sơ đồ lắp rạp của bộ biến đổi DC - AC: Được minh họa trên hình 4.13. ................................................................................................. 57 4.3.2. Kết quả thực nghiệm ..................................................................... 58 4.4. Kết luận ............................................................................................ 59 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................. 60 1. Kết luận ............................................................................................... 60 2. Kiến nghị ............................................................................................. 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................... 61 Hoàng Văn Long K16-KTĐ-ĐHKTCN Thái Nguyên Page iv Luận văn tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện TỪ NGỮ VIẾT TẮT NLMT Năng lượng Mặt trời PV Pin năng lượng Mặt trời SCADA Hệ thống điều khiển giám sát TOE Tấn dầu tương đương Hoàng Văn Long K16-KTĐ-ĐHKTCN Thái Nguyên Page v Luận văn tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Phân loại kho năng lượng theo thời gian ........................................ 21 Bảng 1.2. Phân loại kho năng lượng theo hình thức tích lũy .......................... 21 Hoàng Văn Long K16-KTĐ-ĐHKTCN Thái Nguyên Page vi Luận văn tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Hình 1.2: Hình 1.3: Hình 1.4: Hình 1.5: Hình 2.1: Hình 2.2: Hình 2.3: Hình 2.4: Hình 2.5: Hình 2.6: Hình 2.7: Minh họa hệ thống điện độc lập ......................................... 13 Cấu tạo của ắc quy chì ........................................................ 16 Cấu trúc siêu tụ - hai lớp ..................................................... 19 Hình dáng bên ngoài của siêu tụ ......................................... 20 Minh họa thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ ........................ 24 Bộ biến đổi tăng - giảm áp .................................................. 27 Bộ biến đổi buck ................................................................. 28 Điện áp và dòng qua cuộn cảm ........................................... 29 Mạch boost cơ bản .............................................................. 32 Mạch boost với khóa ở trạng thái đóng (a) và mở (b) ........ 32 Điện áp và dòng điện của bộ biến đổi ở chế độ liên tục ..... 32 Thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ được tích hợp vào nguồn điện độc lập theo phương án bù phân tán ........................... 35 Hình 2.8: Cấu trúc mạch lực bộ biến đổi DC - DC dùng trong siêu tụ ......................................................................................... 39 Hình 2.9: Phân tích các cấu hình mạch điện của DC - DC ở chế độ nạp ....................................................................................... 40 Hình 2.10: Phân tích các cấu hình mạch điện của DC - DC ở chế độ xả ......................................................................................... 41 Hình 3.1: Bộ điều khiển theo quy luật PID......................................... 43 Hình 3.2: Dải tần số mà ở đó có biên độ hàm đặt tính bằng 1, càng rộng càng tốt ................................................................................ 46 Hình 3.3: Cấu trúc chung của bộ biến đổi DC-DC ............................. 47 Hình 3.4: Mô hình đơn giản của bộ biến đổi boost ............................ 48 Hình 3.5: Mô hình đơn giản của bộ biến đổi buck ............................. 49 Hình 4.1: Bộ biến đổi DC - DC và DC - AC cho siêu tụ.................... 52 Hình 4.2: Mạch giảm áp sử dụng IC LM2569S ................................. 52 Hình 4.3: Sơ đồ nguyên lý mạch giảm áp sử dụng IC LM2569S....... 53 Hình 4.4: Điện áp đầu vào mạch giảm áp sử dụng IC LM2569S ....... 53 Hình 4.5: Điện áp đầu ra nhỏ nhất của mạch giảm áp sử dụng IC LM2569S ............................................................................. 54 Hình 4.6: Điện áp đầu ra nhỏ nhất của mạch giảm áp sử dụng IC LM2569S ............................................................................. 54 Hình 4.7: Mạch tăng áp sử dụng IC XL6009 ..................................... 55 Hình 4.8: Sơ đồ khai triển của IC XL6009 ......................................... 55 Hình 4.9: Sơ đồ nguyên lý của mạch tăng áp sử dụng IC XL6009 .... 55 Hình 4.10: Điện áp vào của mạch tăng áp sử dụng IC XL6009 ........... 56 Hình 4.11: Điện áp ra lớn nhất của mạch tăng áp sử dụng IC XL6009 56 Hoàng Văn Long K16-KTĐ-ĐHKTCN Thái Nguyên Page vii Luận văn tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện Hình 4.12: Hình 4.13: Hình 4.14: Hình 4.15: Điện áp ra 20V của mạch tăng áp sử dụng IC XL6009 ...... 57 Sơ đồ lắp ráp bộ biến đổi DC - AC theo tài liệu ................ 57 Điện áp ra hình sin 220V bộ biến đổi DC - AC ................. 58 Điện áp ra hình sin 220V nhìn gần ..................................... 58 Hoàng Văn Long K16-KTĐ-ĐHKTCN Thái Nguyên Page viii Luận văn tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện MỞ ĐẦU Năng lượng tạo ra nguồn điện năng hiện nay chủ yếu là nhiên liệu hoá thạch, dầu, khí và nước. Các nguồn nguyên liệu này đang ngày càng cạn kiệt với tốc độ khai thác sử dụng hiện nay. Không những vậy, còn gây ra các hệ quả và thảm hoạ. - Nguồn nước sản xuất điện đang đứng trước các thách thức: Do việc ngăn đập lớn tạo nguồn nước để sản xuất điện đã làm thay đổi môi trường rất lớn: làm mất một số diện tích rừng, làm khô hạn hạ nguồn do đó làm ảnh hưởng lớn đến sản xuất nông nghiệp, đến môi sinh nhiều vùng rộng lớn. Do đó nó cũng không phải là nguồn năng lượng sạch và an toàn. Nguồn điện năng này cũng cạnh tranh nguồn nước với sản xuất. - Nguồn năng lượng nguyên tử chưa thực sự an toàn: là một ứng dụng công nghệ cao để tạo ra điện năng, rất dồi dào nhưng đã xảy ra nhiều thảm hoạ mà những công nghệ hiện đại nhất cũng không tránh khỏi rủi ro. Ngày 05 tháng 6 năm 2011 Chính phủ Đức công bố đến năm 2020 nước này sẽ đóng cửa các nhà máy điện hạt nhân, và họ đang sử dụng ngày càng nhiều năng lượng tái tạo, đặc biệt là từ Mặt trời và ánh sáng mặt trời. - Các nguồn liệu sinh học cho sản xuất điện rất hạn chế và giá thành rất cao: nguồn liệu từ các sản phẩm nông nghiệp như mía-cồn, cây có dầu... hiện nay đang được chú ý nghiên cứu để sử dụng làm nhiên liệu - chạy điện, nhưng giá thành khá cao và chúng cạnh tranh với nhu cầu lương thực, các nền sản xuất khác như chăn nuôi, chế biến thực phẩm... - Nguồn năng lượng tự nhiên tái tạo: Về năng lượng mặt trời: Năng lượng mặt trời là một trong các nguồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất mà thiên nhiên ban tặng cho hành tinh chúng ta. Đồng thời nó cũng là nguồn gốc của các nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng gió, năng lượng sinh khối, năng lượng các dòng sông,… Năng lượng mặt trời có thể nói là vô tận. Hoàng Văn Long K16-KTĐ-ĐHKTCN Thái Nguyên Page 1 Luận văn tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện Việt Nam nằm trong vùng nhiệt đới, số giờ nắng trung bình khoảng 2.000 - 2.500 giờ/năm với tổng lượng bức xạ mặt trời trung bình khoảng 150 Kcal/cm2/năm, tiềm năng lý thuyết được đánh gía khoảng 43,9 tỷ tấn dầu tương đương (TOE)/năm. Hiện nay, việc sử dụng năng lượng mặt trời (NLMT), thay thế cho việc sử dụng các nguồn năng lượng điện được sản xuất ra nhờ các nguồn nguyên liệu hóa thạch truyền thống như than đá, dầu mỏ, khí đốt,… đã trở nên rất phổ biến tại các quốc gia phát triển. Việc ứng dụng các giải pháp để sử dụng năng lượng mặt trời tại Việt Nam còn rất mới mẻ. Trong khi đó, Việt nam được đánh giá là một quốc gia có tiềm năng rất lớn về nguồn năng lượng tái tạo này. Đây lại là nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm, không cạnh tranh nguồn liệu. Tuy nhiên do công nghệ còn mới mẻ nên hiện tại giá thành kw/h còn cao so với thuỷ điện, nhiệt điện. Nhưng theo các nhà khoa học, đây là nguồn năng lượng chiếu sáng quan trọng cho tương lai gần. Do đó, việc xây dựng “ hệ thống chiếu sáng công cộng sử dụng năng lượng mặt trời kết hợp với điện lưới” là một việc cấp thiết. Với mục tiêu khai thác nguồn năng lượng tái tạo để từng bước thay thế các nguồn năng lượng truyền thống đang cạn kiệt và giảm thiểu ô nhiễm, hiệu ứng nhà kính cũng như tạo điều kiện thuận lợi hơn cho việc phát triển nguồn năng lượng này, Việt Nam đã có chiến lược và chính sách khá cụ thể. Luật Điện lực ngày 03 tháng 12 năm 2004; Luật sửa đổi, bổ sung một số điều của Luật Điện lực ngày 20 tháng 11 năm 2012 đã quy định về chính sách phát triển điện nông thôn, miền núi, hải đảo. Quy hoạch phát triển điện quốc gia giai đoạn 2006 - 2015 có xét đến 2025 được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt tháng 7/2007 cũng nêu rõ các chương trình đầu tư phát triển điện nông thôn tiếp tục được thực hiện với mục tiêu phấn đấu đến năm 2010 có 95% và năm 2015 có 100% các xã có điện. Đặc biệt, trong chiến lược phát triển năng lượng quốc gia của Việt Nam đến năm 2020, tầm nhìn đến năm 2050 được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt tháng 12/2007, mục tiêu đẩy mạnh phát triển năng lượng mới và tái tạo đã được nhấn mạnh. Hoàng Văn Long K16-KTĐ-ĐHKTCN Thái Nguyên Page 2 Luận văn tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện Việc nghiên cứu tìm ra các nguồn năng lượng mới và sạch đã trở thành nghiên cứu mũi nhọn của nhiều quốc gia, đặc biệt là các nước phát triển. Trong công cuộc đi tìm nguồn năng lượng mới này con người đã đạt được những thành công nhất định. Nguồn điện độc lập sinh ra từ các tổ hợp phát điện từ các tấm pin mặt trời và máy phát điện Diezen quy mô nhỏ và vừa, lưới điện có công suất 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 Mặt trời 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 Diezen làm nền, là nguồn cung cấp năng lượng chính, nguồn năng lượng từ hệ thống phát điện năng lượng Mặt trời (NLMT) được huy động để giảm thiểu lượng tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch [4]. 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 NLMT, Năng lượng sinh từ bức xạ Mặt trời lại biến động thất thường theo thời gian, ngẫu nhiên và không thể điều khiển được. Khi một hệ thống NLMT 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, 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 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 Hoàng Văn Long K16-KTĐ-ĐHKTCN Thái Nguyên Page 3 Luận văn tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện chỉnh công suất nguồn phát, hệ thống điện độc lập có khả năng tác động: Điều chỉnh nguồn phát Diezen. Với hệ thống NLMT, công suất đầu ra không chủ động huy động được. Với nguồn phát Diezen, tác động điều độ có thể diễn ra chủ động theo cả chiều tăng và giảm công suất nguồn phát. Khi nguồn phát năng lượng Mặt trời được huy động cùng với nguồn phát Diezen, 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 Diezen để điều chỉnh công suất cơ của động cơ sơ cấp. Trong khi đó ở hệ thống điện độc lập, nguồn phát Diezen đóng vai trò hình thành lưới, tần số lưới tỷ lệ với tốc độ quay của động cơ sơ cấp Diezen. 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 Diezen. Vì vậy, để khai thác hiệu quả năng lượng Mặt trời 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 năng lượng Mặt trời qua đó làm trơn (smoothing) công suất đầu ra của các hệ thống NLMT. 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 (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 Hoàng Văn Long K16-KTĐ-ĐHKTCN Thái Nguyên Page 4 Luận văn tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện 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[7][1][4]. 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 năng lượng Mặt trời - Diezen. 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: 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 năng lượng Mặt trời - Diezen. 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 phụ tải biến động ngẫu nhiên. Phụ tải của hệ thống được giả thiết: Phân bố tập trung, đối xứng với hai dạng thuần trở và tải trở cảm. Hoàng Văn Long K16-KTĐ-ĐHKTCN Thái Nguyên Page 5 Luận văn tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện 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 hệ thống NLMT 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 năng lượng Mặt trời trên thế giới cũng như trong nước phát triển mạnh mẽ. 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 của phụ tải 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 khi công suất phụ tải có biến động trong thời gian ngắn, qua đó đảm bảo chất lượng điện năng trong hệ thống điện độc lập nguồn phát hỗn hợp năng lượng Mặt trời - Diezen. 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 hệ thống NLMT bằng thiết bị kho điện SCESS với những cấu trúc điều khiển thích hợp sẽ nâng cao chất lượng điện năng trong hệ thống điện độc lập nguồn phát hỗn hợp năng lượng Mặt trời - Diezen. 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 chiếu sáng 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 1. 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 độc lập 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. Hoàng Văn Long K16-KTĐ-ĐHKTCN Thái Nguyên Page 6 Luận văn tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện Chương 2. 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 DC-DC. Chương 3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC Trình bày về cấu trúc điều khiển bộ biến đổi DC - DC bằng PID và tổng hợp thông số cho bộ biến đổi. Chương 4. ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG BỘ BIẾN ĐỔI DC - DC VÀ DC - AC Các kết quả thu được trên mô hình thí nghiệm các bộ biến đổi nói trên chứng minh cho khả năng làm việc, hiệu quả của những giải pháp được đề xuất. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ chỉ ra những đóng góp của luận văn và hướng phát triển tiếp theo. Hoàng Văn Long K16-KTĐ-ĐHKTCN Thái Nguyên Page 7 Luận văn tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện Chương 1 NGHIÊN CỨU KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MỚI VÀ NGUỒN ĐIỆN ĐỘC LẬP 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... - Do nhân tạo: Có nguồn năng lượng từ thủy điện còn được gọi là than trắng, nguồn năng lượng nguyên tử, năng lượng từ Mặt trời, năng lượng từ ánh sáng mặt trời và năng lượng thủy triều…  Đối với năng lượng tài nguyên thiên nhiên thuộc nhóm thứ nhất: theo ước tính thì khoảng độ 80 năm nữa nguồn năng lượng trên sẽ bị cạn kiệt vì con người đã và đang sử dụng nhanh hơn mức tái tạo của thiên nhiên.  Đối với nguồn năng lượng đến từ nhóm hai: - Thủy điện đã xuất hiện từ hơn 70 năm trước đây và đã là nguồn hy vọng cho nhân loại trong một thời gian dài. Ban đầu căn cứ theo hướng suy nghĩ của những nhà khoa học thời bấy giờ thì thủy điện là một nguồn điện năng sạch và hoàn hảo vì không tạo ra ô nhiễm môi trường, năng lượng có khả năng tái tạo. Do đó, đập thủy điện được tiếp nối xây dựng ồ ạt từ những nước phát triển cho đến những nước đang phát triển. Tuy nhiên, trong khoảng 20 năm trở lại đây, khoa học gia trên thế giới đã nhận định đúng đắn thảm họa môi trường do thủy điện gây ra. Đó là: + Thủy điện đã làm đảo lộn hoàn toàn hệ sinh thái của một vùng rộng lớn chung quanh hồ chứa cũng như ở thượng nguồn và hạ nguồn của đập. + Thủy điện làm giảm thiểu hoặc hủy diệt đa dạng sinh học của toàn vùng có thủy điện. + Hiệu quả kinh tế của thủy điện hoàn toàn đảo ngược vì chi phí cần thiết để tái tạo lại môi trường thiên nhiên cao hơn lợi nhuận do việc cung cấp điện Hoàng Văn Long K16-KTĐ-ĐHKTCN Thái Nguyên Page 8