(Luận văn thạc sĩ) mô hình hóa và điều khiển một hệ thống tích hợp năng lượng gió và năng lượng mặt trời

GIỚI THIỆU

Đặt vấn đề

Ngành công nghiệp điện đang có những bước tiến đột phá trong sản xuất, truyền tải và phân phối điện, nhằm tối ưu hóa hiệu quả và tiết kiệm năng lượng Sự nóng lên toàn cầu, cạn kiệt nguồn năng lượng hóa thạch và gia tăng dân số, dự kiến đạt 9.5 tỷ người vào năm 2050, tạo ra nhu cầu cấp thiết về các phương thức mới trong cung cấp và sử dụng năng lượng, giảm thiểu phát thải CO2 Để đạt được mục tiêu này, cần xây dựng hệ thống điện và phương thức vận hành cho phép nâng cao hiệu suất các nhà máy điện và khuyến khích phát triển nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, gió, và khí sinh học Mô hình và công nghệ điều khiển lưới điện siêu nhỏ với các nguồn phát điện phân tán (DG) đang được nghiên cứu, góp phần vào sự phát triển của hệ thống điều khiển lưới điện thông minh (Smart Grid) Hiện nay, một số quốc gia phát triển như Đức, Hoa Kỳ và Singapore đã triển khai lưới điện siêu nhỏ với các nguồn phát điện phân tán.

Để giải quyết các vấn đề liên quan đến năng lượng, chúng ta cần khai thác hợp lý các nguồn năng lượng hóa thạch và đồng thời tìm kiếm các nguồn năng lượng thay thế Thế giới đang hướng tới việc phát triển các nguồn năng lượng tái sinh, như năng lượng gió và năng lượng sinh khối, nhằm cung cấp năng lượng bền vững cho tương lai.

Năng lượng mặt trời và năng lượng gió đang trở thành những nguồn năng lượng tái tạo quan trọng được thế giới chú trọng phát triển Các chính phủ đã đặt ra những mục tiêu tham vọng nhằm tăng cường sản lượng điện từ các nguồn năng lượng này, trong bối cảnh người dân ngày càng nhận thức rõ về tác hại của nhiên liệu hóa thạch và năng lượng hạt nhân đối với môi trường Năng lượng tái tạo không chỉ vô tận mà còn giúp giảm thiểu hiệu ứng nhà kính, bảo vệ các nguồn năng lượng truyền thống đang cạn kiệt Các quốc gia phát triển và đang phát triển đều coi năng lượng mặt trời và gió là giải pháp lý tưởng cho tương lai, ưu tiên đầu tư trong các chính sách năng lượng Việc sử dụng năng lượng tái tạo mang lại nhiều lợi ích thiết thực cho môi trường và nền kinh tế.

- Giảm hay thay thế việc xây dựng các nhà máy điện truyền thống dùng năng lượng hóa thạch

- Làm giảm công suất truyền tải và tăng phát điện tại nơi tiêu thụ

- Không gây ô nhiễm môi trường khi vận hành sản xuất điện năng

- Là nguồn năng lượng không bao giờ cạn kiệt

- Dễ dàng tăng thêm công suất khi cần thiết

- Việc lắp đặt và xây dựng các tấm pin năng lươ ̣ng mă ̣t trời , các turbin gió là tương đối nhanh

Mặc dù năng lượng mặt trời và gió hiện nay có chi phí cao hơn so với năng lượng truyền thống, nhưng chúng không bị ảnh hưởng bởi giá nguyên liệu và tình trạng gián đoạn cung cấp.

- Ở các nước phát triển nhà nước hỗ trợ về thuế và các ưu đãi khác

Các trung tâm năng lượng tái tạo tạo ra nhiều cơ hội việc làm hơn so với các nhà máy năng lượng truyền thống, khi sản xuất cùng một đơn vị năng lượng Sự gia tăng số lượng nhân viên làm việc tại các trung tâm này không chỉ góp phần vào phát triển kinh tế địa phương mà còn thúc đẩy sự chuyển đổi sang năng lượng bền vững.

HVTH: Lương Sơn Khởi Trang 3 năng lượng gió trên khắp thế giới khoảng 100000 công nhân Một Megawatt điện gió cần từ 2.5 – 3.0 nhân công làm việc

Công nghệ năng lượng mặt trời và gió có khả năng ứng dụng đa dạng cho các hệ thống từ nhỏ đến lớn Thời gian từ khảo sát đến lắp đặt và vận hành nhanh chóng, mang lại nhiều lợi ích mà các nhà máy điện truyền thống không thể cung cấp.

Năng lượng mặt trời tại Việt Nam có tiềm năng lớn nhờ vào vị trí địa lý nhiệt đới với nắng quanh năm Bên cạnh đó, năng lượng gió cũng hứa hẹn phát triển nhờ vào bờ biển dài 3.260 km và gần 3.000 đảo lớn nhỏ Tuy nhiên, việc khai thác năng lượng tái tạo này vẫn gặp nhiều hạn chế do thiếu chính sách hỗ trợ từ nhà nước và chi phí thiết bị chuyển đổi năng lượng còn cao Hiện tại, các hệ thống điện năng lượng mặt trời và gió chủ yếu được phát triển với công suất vừa và nhỏ, nhằm cung cấp điện cho những vùng nông thôn, biên giới, hải đảo và các khu vực có chất lượng điện không ổn định.

Khi nền kinh tế phát triển, việc chú trọng vào năng lượng sạch và bền vững ngày càng gia tăng Theo xu hướng thiết kế môi trường xanh, các tòa nhà hiện nay được thiết kế để tiêu thụ ít năng lượng từ lưới điện và sử dụng pin mặt trời để tạo ra điện "xanh", đáp ứng một phần nhu cầu cho công trình Điều này thúc đẩy nghiên cứu chế tạo các bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời công suất vừa và nhỏ, có khả năng kết nối lưới điện nhằm tối ưu hóa hiệu suất từ năng lượng mặt trời.

Mục tiêu và nhiệm vụ

- Tìm hiểu về máy phát điện gió công suất nhỏ

- Tìm hiểu về các bộ pin năng lượng mặt trời

- Tìm hiểu về pin lưu trữ năng lượng nối lưới

HVTH: Lương Sơn Khởi Trang 4

- Xây dựng phương trình và giải thuật để tính toán bộ chuyển đổi năng lượng

Xây dựng khối pin lưu trữ năng lượng nối lưới cùng với bộ điều khiển nhằm ổn định điện áp hai đầu cực nút tải khi microgrid được tách ra khỏi lưới điện.

- Dùng phần mềm Matlab 7.12 mô phỏng khi hòa năng lượng gió, mặt trời và pin lưu trữ vào lưới điện phân phối.

Phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu khái quát về năng lượng mă ̣t trời và năng lượng gió

- Nghiên cứu về các bộ pin năng lượng mặt trời công suất nhỏ

- Nghiên cứu về máy phát điện gió công suất nhỏ

- Nghiên cứu về mối quan hệ của các thông số trong bô ̣ pin năng lượng mă ̣t trời công suất nhỏ

- Nghiên cứu về mối quan hệ của các thông số trong máy phát điện gió công suất nhỏ

- Nghiên cứu về mối quan hệ truyền động trong máy phát điện gió công suất nhỏ

- Nghiên cứu bộ nghịch lưu công suất nhỏ một pha khi hòa vào lưới điện

- Nghiên cứu phương pháp tính toán bộ chuyển đổi nguồn DC-AC

- Nghiên cứu tính toán các thông số khi hòa nguồn năng lượng tái tạo vào lưới điện phân phối một pha

- Nghiên cứu mô hình pin nối lưới để đảm bảo ổn định điện áp nút kết nối

- Đưa ra mô hình mô phỏng khi hòa nguồn năng lượng tái tạo vào lưới điện.

Phương pháp nghiên cứu

- Thu thập tài liệu liên quan đến các vấn đề nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan về năng lượng mă ̣t trời và năng lượng gió

- Nghiên cứu các thông số ảnh hưởng đến hoa ̣t đô ̣ng của pin mă ̣t trời , máy phát điện gió

Nghiên cứu và phát triển mô hình toán học nhằm phân tích mối quan hệ giữa các thông số ảnh hưởng đến hiệu suất của pin năng lượng mặt trời công suất nhỏ Mô hình này sẽ giúp tối ưu hóa hiệu suất và nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng từ nguồn tái tạo.

Nghiên cứu và phát triển mô hình toán học nhằm phân tích mối quan hệ giữa các thông số ảnh hưởng đến hiệu suất của máy phát điện gió công suất nhỏ là rất quan trọng Mô hình này giúp tối ưu hóa hoạt động của máy phát điện, từ đó nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng gió Việc hiểu rõ các yếu tố tác động sẽ hỗ trợ trong việc cải tiến thiết kế và vận hành máy phát, góp phần vào sự phát triển bền vững của năng lượng tái tạo.

Nghiên cứu các mô hình hòa đồng bộ giữa nguồn năng lượng mặt trời, năng lượng gió và lưới điện là cần thiết để tối ưu hóa hiệu suất hệ thống Các thông số khi hòa có ảnh hưởng lớn đến sự ổn định và hiệu quả của lưới điện Đề xuất mô hình tính toán cụ thể sẽ giúp cải thiện khả năng tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo, từ đó nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng và giảm thiểu tác động đến môi trường.

Sử dụng MATLAB để xây dựng mô hình mô phỏng việc hòa đồng bộ bộ bộ năng lượng tái tạo vào lưới điện phân phối, nhằm thiết kế và thi công mô hình thực tế.

- Phân tích các kết quả nhận được và các kiến nghị

- Đánh giá tổng quát toàn bộ bản luận văn Đề nghị hướng phát triển của đề tài.

Điểm mới của luận văn

Xây dựng mô hình kết nối hoàn chỉnh giữa hệ thống năng lượng mặt trời và máy phát điện gió công suất nhỏ trong lưới Microgrid, nhằm hòa đồng bộ với lưới điện quốc gia.

- Tìm ra các thông số ảnh hưởng đến việc hòa đồng bộ giữa các nguồn năng lượng tái tạo và lưới điện quốc gia

- Đưa ra giải thuật và chương trình mới để tính toán bộ chuyển đổi nguồn năng lượng tái tạo hòa vào lưới điện quốc gia

- Góp phần tiết kiệm năng lượng của các hộ tiêu thụ điện cũng như cung cấp thêm cho nguồn quốc gia một phần năng lượng.

Giá trị thực tiễn của luận văn

Giải pháp này đóng vai trò quan trọng trong việc thay thế dần các nguồn năng lượng hóa thạch bằng những nguồn năng lượng vô tận, phù hợp với xu hướng phát triển bền vững của thế giới hiện nay.

Giải pháp nâng cao chất lượng điện năng cho các vùng sâu, vùng xa và xa trung tâm phụ tải là rất khả thi Tại những khu vực này, do điều kiện địa lý tự nhiên, thường là những vùng cuối lưới điện nên điện áp không đảm bảo Việc sử dụng các bộ năng lượng mặt trời, kết hợp hoặc riêng lẻ, sẽ giúp cải thiện tình hình cung cấp điện tại đây.

HVTH: Lương Sơn Khởi Trang 6 lượng gió là một giải pháp hữu hiệu để nâng cao ổn định điện áp cho các vùng này

- Nâng cao được hiệu suất cho bô ̣ năng lượng mă ̣t trời công suất nhỏ

- Làm tài liệu tham khảo và làm nền tảng để phát triển hướng cho các nghiên cứu sau này

- Ứng dụng rộng rãi việc sử dụng cùng lúc hai nguồn năng lượng tái tạo và lưới điện quốc gia cho các hộ tiêu thụ điện

- Giúp các nhà hoạch định chiến lược về nguồn năng lượng quốc gia có thêm một hướng mới về việc phát triển nguồn năng lượng trong tương lai

- Sử dụng làm tài liệu giảng dạy

Giúp các nhà thiết kế tạo ra tài liệu quan trọng cho việc tính toán thiết kế bộ chuyển đổi nguồn năng lượng tái tạo, bao gồm năng lượng mặt trời và gió, nhằm hòa vào lưới điện hiệu quả.

Nội dung của luận văn

Chương 3: Khảo sát và tính toán

Chương 4: Mô hình hóa và mô phỏng

Chương 5: Kết luận và Hướng phát triển

TỔNG QUAN

Microgrid và phát điện phân tán

Lưới điện siêu nhỏ (Microgrid - MG) là hệ thống năng lượng bao gồm các nguồn phát điện phân tán như pin mặt trời, pin nhiên liệu, và turbine gió Nó kết hợp các hệ thống đo lường và phụ tải, cho phép hoạt động độc lập hoặc tích hợp vào lưới điện phân phối Công nghệ điều khiển của lưới điện siêu nhỏ hướng đến phát triển lưới điện thông minh và điều khiển linh hoạt, góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng.

Tổng quan về hệ thống chuyển đổi năng lƣợng gió

2.2.1 Các thành phần của hệ thống chuyển đổi năng lƣợng gió

Hình 2 2 Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió cơ bản

Hình 2 3Cấu trúc bộ chuyển đổi năng lượng của hệ thống tuabin gió thay đổi tốc độ

Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió hiện đại bao gồm hai phần chính là cơ khí và điện, với các bộ phận chi tiết cấu thành.

Turbine gió có hai loại chính: trục đứng và trục ngang Trong đó, turbine gió trục ngang nổi bật với hiệu suất cao, thường được ứng dụng trong các hệ thống chuyển đổi công suất lớn.

Tháp đỡ là cấu trúc quan trọng giúp nâng đỡ hệ thống turbine và máy phát điện, cho phép thu thập nguồn gió lớn và ổn định từ độ cao Được xây dựng từ bê tông hoặc thép, tháp đỡ được thiết kế với tính toán tần số cộng hưởng để đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu khi hệ thống được đưa vào sử dụng.

- Hộp truyền động (Gear box): máy phát thường có tốc độ định mức khoảng

1000 đến 1500 rpm trong khi tốc độ của turbine gió chỉ khoảng 30-50 rpm Vì vậy hộp truyền động được dùng để tương thích cho tốc độ này

Máy phát điện là thiết bị quan trọng trong các hệ thống kết nối với lưới điện, thường sử dụng máy phát đồng bộ hoặc máy phát cảm ứng Đối với những hệ thống hoạt động độc lập, máy phát điện nam châm vĩnh cửu được áp dụng Trong bài viết này, chúng ta sẽ tập trung vào việc sử dụng các loại máy phát điện này.

HVTH: Lương Sơn Khởi Trang 10 máy phát điện nam châm vĩnh cửu để mô phỏng do máy phát điện gió có công suất nhỏ

Bộ biến đổi công suất là thiết bị quan trọng giúp hòa đồng bộ, điều khiển và bảo vệ máy phát khi kết nối với lưới điện Nó đóng vai trò như linh hồn của hệ thống chuyển đổi năng lượng, đảm bảo hoạt động hiệu quả và an toàn cho quá trình kết nối lưới điện.

- Thiết bị truyền tải, kết nối lưới điện: các máy biến áp được sử dụng để kết nối lưới điện

Hệ thống điều khiển và giám sát trong các tuabin gió hiện đại được thiết kế để tối ưu hóa công suất từ gió và bảo vệ toàn bộ hệ thống khỏi sự cố Nó bao gồm các cảm biến đo hướng và tốc độ gió, hoạt động với độ an toàn và tin cậy cao Nhiệm vụ của hệ thống là đo lường tốc độ gió để xác định công suất ngõ ra cực đại Khi lực gió đủ mạnh để vượt qua lực ma sát, hệ thống sẽ khởi động máy phát và quay cánh quạt Tuy nhiên, nếu vận tốc gió vượt quá ngưỡng an toàn, các cánh quạt sẽ được thu lại và turbine sẽ ngừng hoạt động, đồng thời hệ thống bảo vệ sẽ ngắt kết nối máy phát điện gió khỏi lưới điện để đảm bảo an toàn cho cả lưới điện và máy phát.

2.2.2 Các loại hệ thống chuyển đổi năng lƣợng gió

Turbine gió có thể hoạt động ở tốc độ cố định hoặc tốc độ thay đổi Với turbine gió tốc độ cố định, máy phát được kết nối trực tiếp với lưới điện, dẫn đến việc không thể điều chỉnh công suất khi có sự dao động của tốc độ gió Điều này gây ra sự biến động công suất và ảnh hưởng đến chất lượng điện năng của lưới điện.

HVTH: Lương Sơn Khởi Trang 11 sử dụng turbine gió tốc độ thay đổi, với vận tốc máy phát được điều khiển bởi thiết bị điện tử công suất Nhờ vào việc điều chỉnh tốc độ làm việc của rotor, sự dao động công suất do thay đổi tốc độ gió được hấp thụ, từ đó hạn chế những biến động công suất do hệ thống chuyển đổi năng lượng gió Điều này giúp cải thiện chất lượng điện năng so với turbine gió tốc độ cố định.

Tốc độ quay của tuabin gió thường thấp, do đó cần điều chỉnh theo tần số điện Việc này có thể thực hiện bằng hai phương pháp: sử dụng hộp số hoặc thay đổi số cặp cực từ của máy phát Số cặp cực từ xác định vận tốc của máy phát theo tần số lưới điện, trong khi hộp số điều chỉnh tốc độ quay của tuabin theo vận tốc của máy phát.

Trong phần này, các cấu hình hệ thống chuyển đổi năng lượng gió sau đây được đề cập:

- Turbine gió tốc độ cố định với máy phát không đồng bộ

- Turbine gió tốc độ thay đổi với máy điện nam châm vĩnh cửu hoặc máy phát đồng bộ

- Turbine gió tốc độ thay đổi với máy phát không đồng bộ cấp nguồn từ hai phía

2.2.2.1 Hệ thống turbine gió cố định

Hình 2 4Hệ thống turbine gió tốc độ cố định

HVTH: Lương Sơn Khởi Trang 12 Đối với turbine gió tốc độ cố định, máy điện nam châm vĩnh cửu được kết nối trực tiếp với lưới điện, trong đó điện áp và tần số của máy phát phụ thuộc vào lưới điện, như minh họa trong hình 2.4.

Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió tốc độ cố định hoạt động với hai tốc độ cố định nhờ vào việc sử dụng hai máy phát có định mức và số cặp cực từ khác nhau, hoặc cùng một máy phát với hai cuộn dây khác nhau Cách tiếp cận này giúp tăng công suất thu được từ gió và giảm tổn hao kích từ ở tốc độ gió thấp Máy phát không đồng bộ cho phép hoạt động trong phạm vi độ trượt từ 1 – 2%, vì độ trượt lớn hơn dẫn đến tổn hao tăng và hiệu suất giảm.

Mặc dù có cấu tạo đơn giản, vững chắc và độ tin cậy cao, song cấu hình này có 3 nhược điểm chính:

- Không thể điều khiển công suất tối ưu

- Do tốc độ rotor được giữ cố định nên ứng lực tác động lên hệ thống lớn khi tốc độ thay đổi đột ngột

- Không có khả năng điều khiển tích cực (Active control)

2.2.2.2 Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi biến đổi toàn bộ công suất

Hệ thống này sử dụng bộ biến đổi công suất đặt giữa stator máy phát và lưới điện, cho phép máy phát là loại không đồng bộ (IG) hoặc đồng bộ (SG) Cấu hình này giúp tối ưu hóa công suất nhận được từ gió, tuy nhiên, việc biến đổi toàn bộ công suất phát ra dẫn đến tổn hao lớn.

Hình 2 5Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi biến đổi toàn bộ công suất phát

2.2.2.3 Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi biến đổi một phần công suất

Hệ thống turbine gió hiện đại sử dụng máy phát DFIG, trong đó stator được kết nối trực tiếp với lưới điện, còn rotor dây quấn được kết nối qua bộ biến đổi công suất back to back Cấu hình này ngày càng phổ biến vì chỉ cần biến đổi 20-30% công suất phát, giúp giảm thiểu tổn hao trong thiết bị điện tử công suất so với các cấu hình biến đổi toàn bộ công suất.

Hình 2 6 Hệ thống turbine gió thay đổi tốc độ với bộ biến đổi công suất phía roto

2.2.2.4 Tổng quan về các kiểu turbine gió

Turbine gió được chia thành hai loại chính: turbine gió trục ngang (HAWT) và turbine gió trục đứng (VAWT) Các cánh quạt gió có nhiều hình dạng khác nhau như cánh buồm, mái chèo và hình chén, tất cả đều được thiết kế để thu nhận năng lượng gió và tạo ra mô men quay cho trục turbine.

Turbine gió trục ngang (HAWT) có thiết kế với rô to kiểu chong chóng và trục chính nằm ngang, thường sử dụng ba cánh quạt để đạt hiệu suất tối ưu Các thành phần của HAWT được sắp xếp thẳng hàng với hướng gió, với cánh quạt quay được truyền động qua bộ nhông và trục Mặc dù loại turbine này không bị ảnh hưởng bởi sự xáo trộn của luồng khí, nhưng cần có một hệ thống điều chỉnh hướng gió bằng cơ khí để đảm bảo cánh quạt luôn hướng thẳng góc với chiều gió.

Tổng quan về kết nối turbine gió và mă ̣t trời trong lưới điện Microgrid

Trong những năm gần đây, tiêu thụ điện liên tục tăng, dẫn đến nhu cầu cải thiện cơ sở hạ tầng hệ thống điện Các giải pháp truyền thống chủ yếu tập trung vào việc xây dựng nhà máy điện mới, đường dây truyền tải và trạm biến áp Tuy nhiên, quá trình xây dựng này ngày càng trở nên khó khăn, tốn kém và mất thời gian, gây ra sự suy giảm trong lưới điện Hệ quả là khả năng cung cấp điện bị giảm sút và chi phí năng lượng tăng cao.

Độ tin cậy của hệ thống điện là rất quan trọng và không thể bị ảnh hưởng Để khắc phục vấn đề này, các nhà khai thác mạng lưới đã chuyển từ hệ thống hình tia sang hệ thống mạng lưới, tuy nhiên điều này làm giảm khả năng kiểm soát do dòng điện chạy dọc theo các đường dây cụ thể Tình hình có thể trở nên tồi tệ hơn nếu xảy ra sự cố như quá tải, tăng nguy cơ mất điện lưới Thêm vào đó, sự tăng trưởng phụ tải nhanh chóng dẫn đến quá tải trên các đường dây trọng điểm, gây ra hoạt động không hiệu quả của thị trường năng lượng Giải pháp cho vấn đề này là lưới điện Microgrid, với vai trò quan trọng trong tương lai nhờ phát điện phân tán tại các hộ tiêu thụ, giúp giảm bớt truyền tải công suất trên đường dây và tạo điều kiện cho khách hàng tham gia tích cực vào cung cấp điện.

Lưới điện siêu nhỏ (Microgrid) là hệ thống điện năng phân tán với công suất nhỏ, tập trung vào việc sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo như pin mặt trời, pin nhiên liệu, turbine gió và biogas Hệ thống này không chỉ mang lại hiệu quả năng lượng cao mà còn góp phần bảo vệ môi trường.

HVTH: Lương Sơn Khởi Trang 22 cung cấp giải pháp về phụ tải, hệ thống đo lường và kết nối Lưới điện siêu nhỏ có khả năng hoạt động độc lập hoặc kết nối với lưới điện phân phối chính.

Tóm lại,lưới điệnMicrogrid sẽđêm lại các lợi ích sau:

 Sẽgiảmcác tải đỉnhvàtạo racác phầndự trữ

 Sẽlàm giảm chi phí xây dựng đường truyền, nhà máy mới

 Sẽgiảmtổn thấtđường dâycùngvớigiảm chi phívận hành vàbảo dưỡng

 Sẽchuyển hướngdòngnăng lượng chảy, thay đổi mô hìnhtải, cải thiệnđiện ápvàtăngổn định

 Sẽcho phéphộ tiêu thụ tham gia phát điện vào hệ thống

 Sẽ tận dụng được nguồn năng lược tái tạo và giảm ô nhiểm môi trường

KHẢO SÁT VÀ TÍNH TOÁN

Năng lƣợng gió và công suất turbine

3.1.1 Năng lƣợng gió Động năng của khối không khí có trọng lượng m, thổi với vận tốc u theo chiều x là:

A: Diện tích cắt ngang của khối khí đi qua, đơn vị là m 2 ;

: Mật độ không khí, đơn vị là kg/m 3 ; x : Độ dày khối khí, đơn vị là m;

Giả sử khối khí đó được biểu diễn như hình 3.1, với chiều x di chuyển theo vận tốc u, ta thấy động năng tăng đều theo x, vì khối khí tăng đều

Như vậy, năng lượng của gió P w , chính là đạo hàm động năng theo thời gian:

Công suất P_w thu được từ gió có thể áp dụng cho cả turbine trục đứng và trục ngang Turbine sẽ hấp thụ năng lượng gió theo chiều x, và công thức (3.2) chỉ ra rằng toàn bộ năng lượng có thể thu được từ diện tích A.

Hình 3.1 Năng lượng của khối không khí có diện tích mặt cắt ngang A

Mặt khác, ta biết mật độ không khí được biểu diễn theo đẳng thức:

Trong đẳng thức này: p : là áp suất, đơn vị là Pa

Như vậy, năng lượng gió từ đẳng thức (3.2) được biểu diễn lại như sau:

 (3.4) Đối với không khí ở điều kiện bình thường thì p = 101.3 Pa và T = 273 K, với

A là diện tích quét (m2) và u là vận tốc gió (m/s) Khi đó phương trình được rút gọn lại là:

Phương trình tổng quát (3.4) được khuyến nghị sử dụng khi vị trí lắp đặt turbine gió ở độ cao vài trăm mét so với mặt nước biển hoặc khi nhiệt độ cao đáng kể so với 0°C.

Hình 3.1 minh họa vật lý của turbine gió khi khối không khí lớn di chuyển, ảnh hưởng đến tốc độ gió và áp suất không khí Trong khi đó, Hình 3.2 thể hiện một turbine trục ngang truyền thống với thiết kế cánh dạng chong chóng.

Khi khối không khí di chuyển đến turbine gió có đường kính d1 với vận tốc u1 và áp suất p1, vận tốc sẽ giảm khi tiếp xúc với turbine, khiến luồng khí giãn ra đến đường kính d2 Áp suất không khí tăng cực đại ngay trước turbine và giảm ngay sau khi qua turbine, do động năng trong không khí được chuyển thành năng lượng tiềm ẩn, dẫn đến sự tăng áp suất Sau khi qua turbine, động năng vẫn được chuyển đổi thành năng lượng tiềm ẩn, làm tăng áp suất không khí trở lại mức bình thường Tốc độ gió tiếp tục giảm cho đến khi áp suất đạt cân bằng, và khi tốc độ gió giảm xuống mức thấp, vận tốc của khối khí sẽ tăng trở lại, sao cho u4 = u1, giống như bầu không khí xung quanh.

Hình 3 2 Biểu diễn luồng khí thổi qua một turbine gió lý tưởng

Có thể biểu diễn theo các điều kiện tối ưu, khi công suất cực đại được truyền từ khối khí sang turbine Ta có các quan hệ sau:

Khi đó công suất cơ thu được từ gió sẽ có sự khác biệt giữa ngõ vào và ngõ ra:

Đẳng thức (3.6) chỉ ra rằng một turbine lý tưởng có khả năng thu được 8/9 năng lượng từ luồng gió tự nhiên Tuy nhiên, như hình 3.2 cho thấy, khối khí có diện tích nhỏ hơn diện tích của turbine, điều này có thể dẫn đến sai lệch trong kết quả do việc xác định diện tích A1 gặp khó khăn.

Phương pháp bình thường biểu diễn phần năng lượng thu được theo tốc độ gió u1 và diện tích turbine A2 Phương pháp này cho ta:

Hệ số Betz, được biểu thị qua tỉ lệ 16/27= 0.593, cho thấy rằng một turbine gió không thể thu được hơn 59.3% năng lượng từ khối khí có cùng diện tích Thực tế, năng lượng thu được thường thấp hơn do sự không hoàn hảo của hệ thống cơ khí Trong điều kiện tối ưu, turbine chỉ có thể thu khoảng 35% - 40% năng lượng từ gió, mặc dù có ý kiến cho rằng có thể đạt tới 50% Một turbine có khả năng thu được 40% năng lượng từ gió, tức là khoảng 2/3 năng lượng lý tưởng, được xem là rất hiệu quả.

Vận tốc gió thay đổi theo điều kiện thời tiết và địa hình, vì vậy để đánh giá tiềm năng gió, người ta thường tính vận tốc gió trung bình Từ đó, có thể ước lượng năng lượng kỳ vọng tại một khu vực cụ thể Do vận tốc gió có sự biến đổi theo mùa và thường lặp lại theo chu kỳ hàng năm, nên vận tốc gió trung bình thường được xác định cho khoảng thời gian một năm.

Hình 3.3: Góc pitch của cánh quạt gió

Trước khi khảo sát hiệu suất của turbine gió, một số định nghĩa được đưa ra như sau:

Chiều dài cánh gió (Rb) và bán kính cánh gió là những yếu tố quan trọng trong thiết kế turbine gió, xác định khoảng cách từ mặt cắt ngang của cánh gió đến trục turbine Tốc độ gió mặt (ω) đề cập đến tốc độ gió ở khoảng cách lớn phía trước cánh quạt, trong khi tốc độ gió lưng (ω0) là tốc độ gió ở khoảng cách đủ lớn sau khi gió đã đi qua cánh gió.

AR: diện tích quét của cánh gió β: góc pitch góc giữa đường cung và mặt phẳng xoay

Năng lượng thực tế (công suất cơ) Pmech thu được từ gió qua cánh quạt turbine là sự chênh lệch động năng giữa gió phía trước quạt với vận tốc ω và gió phía sau quạt với vận tốc ω0.

Công suất cơ này phụ thuộc vào diện tích quét của cánh gió, và tỷ lệ với lập phương vận tốc gió

Cp: Hệ số công suất của turbine gió ρ : mật độ không khí kg/m 3 λ : Tỉ số giữa tốc độ gió mặt và gió lưng

Với một vận tốc gió cho trước, giá trị của Cp phụ thuộc vào λ Được tính như sau:

C    (3.9) Để tìm hiệu suất cực đại của rotor ta lấy đạo hàm:

Giải phương trình 0 dC P d  Ta được   1 (loại vì  , 0 0 ) và

Vậy giá trị lớn nhất của Cp là: max

Giá trị lý thuyết CPmax chỉ ra rằng turbine gió không thể khai thác quá 59,3% công suất gió hiện có, theo giới hạn Betz (Albert Betz’s Law) Đây là mức tối đa công suất có thể thu được từ gió, từ đó cho phép chúng ta vẽ đường cong hiệu suất rotor như thể hiện trong hình 3.4.

Tốc độ quay của rotor ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ gió mặt và gió lưng, dẫn đến việc tác động đến giá trị của Cp Khi rotor quay quá chậm, gió có thể dễ dàng thổi qua khe hở giữa các cánh quạt, trong khi nếu quay quá nhanh, sẽ tạo thành một tường chắn gió Mối quan hệ giữa tốc độ gió và tốc độ rotor được thể hiện qua tỷ số giữa tốc độ tiếp tuyến của rìa cánh quạt và tốc độ gió mặt, gọi là TSR (Tip Speed Ratio).

Hình 3.4 Giới hạn của hiệu suất rotor

Trong trường hợp turbine gió có tốc độ thay đổi, công suất đầu ra của máy phát có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi góc pitch (β) của cánh gió Để tối ưu hóa công suất từ gió, tốc độ rotor cần được điều chỉnh theo tốc độ gió Tuy nhiên, khi tốc độ gió vượt quá ngưỡng an toàn (như trong bão hay giông tố), áp lực ly tâm tác động lên cánh quạt sẽ tăng đến giới hạn chịu đựng của vật liệu, do đó cần ngừng rotor để bảo vệ hệ thống.

3.1.3 Đường cong hiệu suất turbine gió

Hiệu suất của rotor không chỉ phụ thuộc vào λ mà còn vào góc pitch β của cánh quạt gió Vì vậy, hầu hết các turbine gió đều được trang bị thiết bị điều khiển pitch, điều này làm cho việc xác định hàm Cp trở nên phức tạp hơn Các nhà chế tạo thường xác định giá trị của Cp là một hàm theo λ và β cho từng loại turbine Một công thức xấp xỉ thường được sử dụng để mô tả đường cong hiệu suất rotor, được thể hiện qua công thức (3.13) và có dạng đồ thị như hình 3.5.

Với λiđược cho bởi quan hệ: 1 1 0.035 3

Hình 3.5 Đường cong hiệu suất roto Cp(λ,β)

Trên đồ thị hình 3.5, giá trị tối đa của Cp được xác định là Cp,opt, và với góc β cố định, tỷ số tối ưu giữa tốc độ gió mặt và tốc độ gió lưng là λp,opt.

Chúng ta sẽ nghiên cứu mối quan hệ giữa công suất đầu ra của turbine gió và các tốc độ gió khác nhau Trong điều kiện không khí ổn định, công suất của turbine gió chỉ phụ thuộc vào tốc độ gió và hệ số công suất Cp.

Pin năng lượng mặt trời và phương trình toán của pin năng lượng mặt trời

Hiện nay, pin năng lượng mặt trời chủ yếu sử dụng loại bán dẫn Silic với tiếp xúc p-n Để dễ dàng trong việc tính toán và thiết kế, một mạch điện tương đương đã được đưa ra để thay thế cho pin mặt trời.

Hình 3 9 Mạch điện tương đương của pin mặt trời

Mạch điện gồm có dòng quang điện Ipt, điot, điện trở dòng rò Rsh và điện trở nối tiếp RS, dòng điện ngõ ra I và điện áp ngõ ra V

3.2.1 Phương trình tương đương của pin năng lượng mặt trời

Dựa trên mạch điện tương đương của pin năng lượng mặt trời trong hình 3.9, một phương trình toán học đã được phát triển để mô tả mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp đầu ra của pin năng lượng mặt trời.

Is: Dòng bão hòa (A) q: Điện tích của electron, q = 1,6x10-19 C k: Hằng số Boltzmann’s, k =1,38x10-23 J/K

TC: Nhiệt độ vận hành của pin (K)

A: Hệ số lý tưởng phụ thuộc vào công nghệ chế tạo pin, ví dụ: công nghệ Si-monoA=1.2, Si-Poly A = 1.3…

3.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến pin năng lượng mặt trời

Dòng quang điện IPH phụ thuộc trực tiếp vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ của pin:

Isc: Dòng ngắn mạch tại nhiệt độ tiêu chuẩn 250C (A) và bức xạ 1kW/m2

K1: Hệ số dòng điện phụ thuộc vào nhiệt độ (A/0C)

Tc: Nhiệt độ vận hành của pin mặt trời (K)

TRef : Nhiệt độ tiêu chuẩn của pin mặt trời (K) λ: Bức xạ mặt trời (kW/m 2 )

Dòng bão hòa Is là dòng các hạt tải điện không cơ bản được tạo ra từ kích thích nhiệt Khi nhiệt độ của pin mặt trời tăng, dòng bão hòa cũng tăng theo hàm mũ.

IRS: Dòng điện ngược bão hòa tại nhiệt độ tiêu chuẩn (A)

Năng lượng lỗ trống của chất bán dẫn là yếu tố quan trọng trong pin mặt trời lý tưởng, trong đó điện trở dòng rò Rsh được coi là vô cực và Rs bằng 0 Mạch điện tương đương của pin mặt trời được thể hiện qua hình 3.10.

Hình 3 10 Mô hình pin mặt trời lý tưởng

Khi đó, biểu thức (3.25) có thể được mô tả như sau:

Và dòng bão hòa ngược tiêu chuẩn có thể được biểu diễn như sau:

3.2.3 Phương trình tương đương của bộ pin năng lượng mặt trời

Thông thường, công suất của pin mặt trời khoảng 2 W và điện áp khoảng 0.5 V

Các pin mặt trời được kết nối theo kiểu nối tiếp và song song để tạo ra công suất và điện áp lớn Mạch điện tương đương của mô đun pin mặt trời bao gồm Np nhánh song song và Ns pin nối tiếp, như minh họa trong hình 3.11.

Hình 3 11 Mô đun pin mặt trời

Mạch điện hình 3.11 được miêu tả bởi biểu thức sau:

Pin mặt trời chuyển đổi một phần bức xạ mặt trời thành năng lượng điện, nhưng cũng tạo ra nhiệt do khả năng hấp thụ nhiệt cao Nhiệt độ hoạt động của pin có thể vượt quá nhiệt độ môi trường, và được đánh giá qua nhiệt độ vận hành bình thường (NOCT - Normal Operating Cell Temperature) Đặc tuyến I-V của pin sẽ thay đổi tương ứng với từng mức bức xạ khác nhau.

Hình 3 12 Đặc tuyến I-V với các bức xạ khác nhau

Hình 3 13 Đặc tuyến P-V với các bức xạ khác nhau

Mạch chỉnh lưu

Mạch chỉnh lưu là thiết bị chuyển đổi dòng điện xoay chiều (AC) thành dòng điện một chiều (DC) cho các thiết bị sử dụng điện một chiều Các loại mạch chỉnh lưu bao gồm chỉnh lưu bán kỳ, chỉnh lưu toàn kỳ và chỉnh lưu cầu 3 pha, phân loại dựa trên cấu trúc của mạch.

HVTH: Lương Sơn Khởi Trang 40 ra các mạch chỉnh lưu cũng có thể phân loại thành mạch chỉnh lưu có điều khiển hay không điều khiển

Mạch chỉnh lưu không điều khiển sử dụng diot để chỉnh lưu dòng điện, trong khi mạch chỉnh lưu có điều khiển dùng các chuyển mạch bán dẫn như IGBT và SCR Ưu điểm của mạch chỉnh lưu không điều khiển là chi phí thấp, vì không cần đầu tư cho thiết bị xử lý tín hiệu và điều khiển Kích thước của các bộ chỉnh lưu này cũng nhỏ hơn so với các bộ chỉnh lưu có điều khiển Tuy nhiên, do không có khả năng điều khiển, hiệu suất của mạch chỉnh lưu không điều khiển thường thấp hơn so với mạch có điều khiển.

Tùy thuộc vào mục đích và yêu cầu cụ thể, việc lựa chọn loại chỉnh lưu hợp lý là rất quan trọng Nếu ưu tiên hàng đầu là vấn đề kinh tế, loại chỉnh lưu không điều khiển sẽ là sự lựa chọn tối ưu Ngược lại, nếu yêu cầu về chất lượng và hiệu suất cao, mạch chỉnh lưu có điều khiển sẽ được ưu tiên hơn.

Trong các mạch chỉnh lưu, để giảm thiểu nhiễu cho dòng điện một chiều ở đầu ra, người ta thường sử dụng bộ lọc nhiễu LC hoặc C Bài viết này sẽ mô tả một số loại chỉnh lưu phổ biến thông qua các hình ảnh minh họa bên dưới.

Hình 3 14 Mạch chỉnh lưu bán kì

Hình 3 15 Mạch chỉnh lưu cầu một pha không điều khiển

Hình 3 16 Mạch chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển

Hình 3 17 Mạch chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển

Hình 3 18 Mạch chỉnh lưu ba pha có điều khiển

Mạch nghịch lưu kết nối lưới điện phân phối

3.4.1 Phân loại bộ nghịch lưu

Bộ nghịch lưu là thiết bị chuyển đổi nguồn điện một chiều thành nguồn điện xoay chiều, bao gồm nhiều công tắc công suất bán dẫn và các thiết bị điều chỉnh Chức năng chính của nó là đáp ứng nhu cầu sử dụng điện xoay chiều của người dùng.

Về mặt cấu tạo có thể phân loại các bộ nghịch lưu thành 2 loại chính đó là nghịch lưu một pha và nghịch lưu 3 pha

Bộ nghịch lưu một pha cung cấp dòng điện và điện áp xoay chiều một pha, phù hợp cho các thiết bị tiêu thụ có công suất nhỏ, thường được sử dụng trong các hộ gia đình và dân dụng.

Các bộ nghịch lưu ba pha cung cấp dòng điện và điện áp ba pha ở ngõ ra, thường được sử dụng trong các nhà máy, xí nghiệp hoặc những nơi có nhu cầu công suất cao cho thiết bị và máy móc lớn.

Có thể phân loại bộ nghịch lưu dựa trên phương pháp điều khiển thành hai loại chính: bộ nghịch lưu điều khiển bằng điện áp và bộ nghịch lưu điều khiển bằng dòng điện.

Bộ nghịch lưu điều khiển bằng điện áp nhằm tạo ra nguồn điện áp xoay chiều hình sin với biên độ và góc pha có thể điều chỉnh thông qua việc thay đổi điện áp điều khiển.

Bộ nghịch lưu điều khiển bằng dòng điện nhằm tạo ra nguồn điện xoay chiều với dạng sóng hình sin theo yêu cầu.

3.4.2 Phương pháp điều khiển khóa công suất bộ nghịch lưu nguồn áp

Phương pháp điều khiển các chuyển mạch công suất trong bộ nghịch lưu phổ biến nhất hiện nay là SPWM (Điều chế độ rộng xung hình sin).

Kỹ thuật analog hoạt động dựa trên nguyên lý so sánh hai tín hiệu cơ bản, với giản đồ kích đóng công tắc của bộ nghịch lưu được thiết kế để tối ưu hóa hiệu suất Phương pháp thực hiện kỹ thuật này giúp nâng cao độ chính xác và ổn định trong quá trình điều khiển.

Sóng mang uc (carrier signal) tần số cao

Sóng điều chế ur, hay còn gọi là sóng điều chế dạng sin, đóng vai trò quan trọng trong việc kích hoạt các công tắc Cụ thể, khi sóng điều khiển ur lớn hơn sóng mang uc (ur > uc), công tắc lẻ sẽ được kích hoạt Ngược lại, nếu sóng điều khiển nhỏ hơn sóng mang, công tắc chẵn sẽ được kích đóng.

Sóng mang uc thường có dạng tam giác, với tần số sóng mang càng cao thì lượng sóng hài bậc cao bị khử càng nhiều Tuy nhiên, tần số đóng ngắt cao dẫn đến tổn hao phát sinh do quá trình đóng ngắt các công tắc gia tăng Hơn nữa, các linh kiện cũng có thời gian đóng ton và thời gian ngắt toff nhất định, điều này hạn chế khả năng chọn tần số sóng mang phù hợp.

Sóng điều khiển ur cung cấp thông tin về độ lớn trị hiệu dụng và tần số sóng hài cơ bản của điện áp ngõ ra Đối với bộ nghịch lưu áp ba pha, cần tạo ra sự lệch pha 1/3 chu kỳ, trong khi bộ nghịch lưu áp một pha yêu cầu hai sóng điều khiển lệch pha nhau nửa chu kỳ Để đơn giản hóa mạch kích, có thể sử dụng một sóng điều khiển duy nhất, trong đó cặp công tắc (S1S4) được kích đóng theo quan hệ giữa sóng điều khiển và sóng mang, trong khi cặp (S2S3) được kích đóng ngược lại Điều này tạo ra trạng thái kích đóng (S1S2) hoặc (S3S4).

Gọi m f là tỉ số điều chế tần số (frequency modulation ratio): carrier f reference m f

Việc tăng giá trị m sẽ dẫn đến sự gia tăng tần số của các sóng hài, tuy nhiên, điều này cũng mang lại bất lợi do tổn hao lớn khi đóng ngắt Giá trị tần số này bị giới hạn bởi tốc độ đóng cắt của IGBT, trong đó thời gian chết Td là một thông số quan trọng Nếu IGBT chuyển mạch từ on sang off hoặc ngược lại trong khoảng thời gian này, nó sẽ không hoạt động hiệu quả.

HVTH: Lương Sơn Khởi Trang 44 không có chuyển mạch xuất hiện Tương tự, tỷ số điều chế biên độ (amplitude modulation ratio) được xác định khi sóng điều khiển là dạng sin (Vs) và sóng mang là dạng tam giác (Vt).

Khi Vs nhỏ hơn Vt (biên độ sóng sin thấp hơn biên độ sóng mang), mối quan hệ giữa áp ra và áp điều khiển là tuyến tính Nghiên cứu này chỉ tập trung vào trường hợp điều khiển tuyến tính (Vs < Vt) Đối với bộ nghịch lưu áp một pha, áp suất được biểu diễn bằng công thức E m V = a dc Trong khi đó, đối với bộ nghịch lưu áp ba pha, các thông số sẽ khác nhau.

Giản đồ xung kích bằng phương pháp SPWM theo hình 3.19

Hình 3 19 Giản đồ xung kích bộ nghịch lưu một pha bằng phương pháp SPWM

Hai sóng điều khiển sin lệch nhau 180 độ, với tần số và góc pha ban đầu, ảnh hưởng đến tần số và góc pha của điện áp ngõ ra E Tần số sóng mang Vt không chỉ quyết định độ rộng xung mà còn ảnh hưởng đến sóng hài của điện áp ngõ ra.

Theo công thức (3.33) và (3.34) độ lớn của hai sóng mang và sóng điều khiển sẽ phụ thuộc trực tiếp đến điện áp ngõ ra E

Các khối chức năng

Khối PI_V là một bộ điều chỉnh PI có nhiệm vụ điều chỉnh dòng điện để duy trì điện áp ngõ ra của bộ pin năng lượng mặt trời phù hợp với giá trị điện áp tham chiếu từ bộ điều khiển MPPT Việc điều chỉnh này dựa vào sự sai lệch giữa điện áp tham chiếu và điện áp thực tế ngõ ra, từ đó xác định lượng dòng điện cần thêm vào hoặc bớt ra so với giá trị dòng điện do bộ điều khiển MPPT cung cấp.

Sơ đồ bên trong khối PI_V được đưa ra như trong hình bên dưới

Hình 4 27 Sơ đồ kết nối của khối PI_V

Hình 4.28 Sơ đồ nguyên lí của khối PLL

PLL trong mạch mô phỏng đóng vai trò quan trọng trong việc xác định góc pha của lưới điện phân phối Việc xác định chính xác góc pha là cần thiết để đảm bảo bộ nghịch lưu có thể hòa đồng bộ vào lưới điện phân phối.

Khối DC/AC có chức năng chuyển đổi dòng điện một chiều hiệu dụng thành dòng điện xoay chiều cần thiết cho lưới điện Kết quả đầu ra của khối này là giá trị dòng điện xoay chiều tham chiếu, được sử dụng để điều khiển khóa bán dẫn trong bộ nghịch lưu.

Dòng điện bơm vào lưới cần phải có tần số tương thích với điện áp của lưới điện Hơn nữa, yêu cầu là chỉ bơm công suất tác dụng mà không được bơm công suất phản kháng ra lưới.

HVTH: Lương Sơn Khởi Trang 72 điện của bộ nghịch lưu, dòng điện bơm ra từ bộ nghịch lưu phải cùng pha với điện áp lưới điện

Dòng điện xoay chiều mong muốn bơm vào lưới điện được xác định qua phương trình

I ac : dòng điện xoay chiều mong muốn bơm vào lưới

:dòng điện hiệu dụng muốn bơm vào lưới điện

 t : góc pha của điện áp lưới điện phân phối

4.2.4 Khối điều khiển Hysteresis (điều khiển bang-bang )

Khối điều khiển bang bang có nhiệm vụ nhận diện sai lệch giữa dòng điện mong muốn và dòng điện thực tế từ bộ nghịch lưu Kết quả sai số này được xử lý qua khối relay để tạo ra tín hiệu đóng cắt IGBT Đối với bộ điều chỉnh dòng điện PI, các thông số điều khiển có thể được tối ưu hóa bằng các thuật toán như GA (gen algorithm), Ziegler-Nichols, hoặc PSO (particle swarm optimization) Trong luận văn, các hệ số điều khiển Kp và Ki được xác định thông qua phương pháp PSO dựa trên công suất thu được tại các giá trị năng lượng bức xạ mặt trời tiêu biểu.

KẾT QUẢ, KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Định dạng
Số trang	102
Dung lượng	4,38 MB