BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN HỒI VIỆT MƠ PHỎNG CHẤT LƯỢNG ĐIỆN TRÊN LƯỚI ĐIỆN NHỎ (MG) TRONG TRƯỜNG HỢP NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KẾT HỢP VỚI NĂNG LƯỢNG GIÓ LÀM VIỆC VỚI LƯỚI ĐIỆN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60520202 S K C0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN HỒI VIỆT MÔ PHỎNG CHẤT LƯỢNG ĐIỆN TRÊN LƯỚI ĐIỆN NHỎ (MG) TRONG TRƯỜNG HỢP NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KẾT HỢP VỚI NĂNG LƯỢNG GIÓ LÀM VIỆC VỚI LƯỚI ĐIỆN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 Tp Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN HỒI VIỆT MƠ PHỎNG CHẤT LƯỢNG ĐIỆN TRÊN LƯỚI ĐIỆN NHỎ (MG) TRONG TRƯỜNG HỢP NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KẾT HỢP VỚI NĂNG LƯỢNG GIÓ LÀM VIỆC VỚI LƯỚI ĐIỆN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202 Hướng dẫn khoa học: PGS TS Nguyễn Hữu Phúc Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2016 LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: Nguyễn Hồi Việt Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 18/06/1991 Nơi sinh: Tiền Giang Quê quán: Tiền Giang Dân tộc: Kinh Điện thoại: 012 7772 9909 E-mail: hoaiviet_tg@yahoo.com.vn Địa liên lạc: Ấp Phú Lợi B, Xã Phú Kiết, Huyện Chợ Gạo, Tiền Giang II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Trung học phổ thơng: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo: Từ 2006 đến 2009 Nơi học (trường, thành phố): Trường THPT Tân Hiệp, Tiền Giang Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Ngành học: Điện Công Nghiệp Thời gian đào tạo: Từ 2009 đến 2013 Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM Tên đồ án tốt nghiệp: Ứng dụng LED chiếu sáng Người hướng dẫn: PGS TS Quyền Huy Ánh Ngày bảo vệ đồ án tốt nghiệp: 07/2013 Nơi bảo vệ đồ án tốt nghiệp: Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM Sau đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo: Từ 08/2014 đến Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM Ngành học: Kỹ Thuật Điện i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Việc tham khảo nguồn tài liệu thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo theo yêu cầu Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 201… Tác giả luận văn Nguyễn Hoài Việt ii LỜI CẢM ƠN Đầu tiên xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy Nguyễn Hữu Phúc – Giảng viên trường Đại học Bách Khoa TP HCM, thầy tận tình hướng dẫn, cung cấp tài liệu tạo điều kiện thuận lợi suốt q trình tơi thực luận văn Kế đến xin cảm ơn tất Thầy Cô khoa Điện – Điện Tử trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh giảng giải cho kiến thức quý báu suốt khoảng thời gian theo học trường tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành luận văn Và cuối tơi xin cảm ơn gia đình tất bạn bè giúp đỡ, ủng hộ, đóng góp ý kiến cho thời gian học tập, nghiên cứu thực luận văn Một lần xin kính chúc sức khỏe chân thành cảm ơn! iii TÓM TẮT Luận văn thảo luận hệ thống MicroGrid khái niệm, cấu hình, ưu nhược điểm vấn đề chất lượng điện Bên cạnh đó, luận văn tiến hành xây dựng mơ hình MicroGrid phục vụ mô chất lượng điện dựa lượng mặt trời lượng gió Trong mơ điện áp AC tuabin gió tạo chỉnh lưu thành điện áp DC, kết hợp với điện áp DC pin mặt trời tạo nghịch lưu lại thành điện áp AC Mơ hình mơ xây dựng môi trường Simulink Matlab 2015a Kết mơ chủ yếu trình bày ảnh hưởng điện áp MicroGrid hoạt động với lưới điện iv ABSTRACT The thesis discuss about MicroGrid system as definition, configuration, advantage, disadvantage and some problem about power quality itself Besides that thesis built MicroGrid model to simulate electrical quality based on solar energy and wind In simulation, AC voltage of wind turbine is rectified to DC voltage which combine DC voltage of PV array to invert to AC voltage Simulation is built in Simulink environment of matlab 2015a Result present effect of MicroGrid’s voltage when it operate grid connected mode v MỤC LỤC TRANG TỰA TRANG Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân i Lời cam đoan ii Cảm iii Tóm tắt iv Mục lục vi Danh sách hình viii Danh sách bảng x Chương TỔNG QUAN 1.1 Tình hình nghiên cứu ứng dụng ngồi nước 1.2 Mục đích luận văn 1.3 Nhiệm vụ luận văn 1.4 Giới hạn luận văn 1.5 Phương pháp nghiên cứu 1.6 Kế hoạch thực luận văn Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Định nghĩa MicroGrid 2.2 Các thành phần MicroGrid 2.3 Cấu trúc MicroGrid 11 2.4 Chế độ vận hành MicroGrid 16 2.5 Ưu điểm kỹ thuật kinh tế lưới MicroGrid 17 2.6 Những thách thức nhược điểm MicroGrid 18 2.7 Các vấn đề chất lượng điện 19 2.8 Tổng kết 21 vi Chương ĐỀ XUẤT MƠ HÌNH VÀ THÔNG SỐ MÔ PHỎNG 22 3.1 Pin quang điện 23 3.1.1 Quang điện 23 3.1.2 Mơ hình hóa pin quang điện 24 3.1.3 Mơ hình pin quang điện Matlab 26 3.2 Phong điện 27 3.2.1 Tua-bin gió 27 3.2.2 Máy phát điện 29 3.2.3 Mơ hình tốn máy điện đồng 31 3.2.4 Mơ hình máy phát điện gió Matlab 34 3.3 Bộ nghịch lưu 37 3.4 Máy biến áp 37 3.5 Cấu hình hệ thống tích hợp 40 3.6 Tổng kết 43 Chương KẾT QUẢ MƠ PHỎNG MƠ HÌNH ĐÃ ĐỀ XUẤT 44 4.1 Trường hợp: MicroGrid vận hành độc lập 44 4.2 Trường hợp: MicroGrid vận hành nối lưới 47 4.3 Phân bố công suất trường hợp 49 4.4 Tổng kết 53 Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO vii 3.6 Tổng kết Chương trình bày lý thuyết liên quan đến thành phần mơ PV Array, Tuabin gió, nghịch lưu… Từ lý thuyết xây dựng lên mơ hình để phục vụ mơ lựa chọn thơng số cho 43 Chương KẾT QUẢ MƠ PHỎNG MƠ HÌNH ĐÃ ĐỀ XUẤT Với cấu hình hệ thống xây dựng Chương 3, nội dung chương tiến hành mô chất lượng điện mơ hình trường hợp MicroGrid kết nối lưới ngắt kết nối lưới (Vận hành độc lập) Với mục đích khảo sát chất lượng điện áp trường hợp trên, số giả định đưới đưa để thuận tiện việc mơ phỏng: • Tốc độ gió ổn định m/s; • Bức xạ mặt trời nhiệt độ môi trường 1000 W/m2 250 C ; • Thời gian thực mơ giây 4.1 Trường hợp: MicroGrid vận hành độc lập Ở trường hợp máy cắt B3 mở nhằm cô lặp lưới điện MicroGird Lúc này, MicroGrid thiết kế với công suất phát khoảng 400 kW cung cấp cho phụ tải 200 kW (Hình 4.1) Kết mơ trường hợp thể hình đây: Hình 4.1: Chế độ vận hành độc lập 44 Hình 4.2: Kết mơ PV Array Tuabin gió chế độ vận hành độc lập Hình 4.3: Dạng sóng điện áp trước sau qua nghịch lưu Hình 4.4: Dạng sóng điện áp dịng điện sau máy biến áp MicroGrid chế độ độc lập 45 Hình 4.5: Dạng sóng điện áp dịng điện phụ tải chế độ độc lập Nhận xét kết mơ phỏng: • Do hệ thống MicroGrid tách khỏi lưới điện để phục vụ phụ tải giả định ban đầu đầu vào cung cấp lượng cho Tuabin gió PV Array ổn định nên điện phát từ hệ nằm khoảng 400 Vdc (Hình 4.2 4.3); • Với việc sử dụng nghịch lưu dạng PWM có tần số chuyển mạch 3000 Hz (Theo [12] tần số chuyển mạch nghịch lưu nằm khoảng từ 50 – 100 lần tần số danh định) Hình 4.3 thể dạng sóng điện áp DC tổng sau qua nghịch lưu chuyển đổi thành điện áp AC pha Dạng sóng thu sau qua lọc chưa tối ưu nguyên nhân chọn giá trị lọc chưa xác, hệ số Kp, KI chưa thật tối ưu và/hoặc tần số chuyển mạch chưa hợp lý Điện áp pha dao động khoảng 300Vrms Sau điện áp đưa qua máy biến áp tăng áp thành 400Vrms cung cấp cho phụ tải; • Hình 4.5 thể dạng sóng điện áp dòng điện phụ tải 200 kW Do hoạt động chế độ độc lập nên điện áp phụ tải hoàn toàn theo điện áp nguồn MicroGrid tạo khoảng 400Vrms So sánh Hình 4.4 4.5, hoạt động chế độ độc lập lượng cấp cho phụ tải phụ thuộc hoàn toàn vào hệ thống MicroGrid 46 4.2 Trường hợp: MicroGrid vận hành nối lưới Ở trường hợp máy cắt B3 đóng lại để lưới điện MicroGird vận hành cấp điện cho phụ tải 200 kW Lúc này, quan sát ảnh hưởng MicroGrid đến lưới điện hoạt động đồng thời (Hình 4.6) Kết mơ trường hợp thể hình sau: Hình 4.6: Chế độ vận hành nối lưới Hình 4.7: Kết mô PV Array Tuabin gió chế độ vận hành nối lưới 47 Hình 4.8: Dạng sóng điện áp trước sau qua nghịch lưu chế độ vận hành nối lưới Hình 4.9: Dạng sóng điện áp dịng điện sau máy biến áp MicroGrid chế độ vận hành nối lưới Hình 4.10: Dạng sóng điện áp dịng điện nguồn lưới chế độ vận hành nối lưới 48 Hình 4.11: Dạng sóng điện áp dịng điện phụ tải chế độ vận hành nối lưới Nhận xét kết mơ phỏng: • Ở Hình 4.7 đến Hình 4.10 , nối MicroGrid lưới lại để hoạt động chế độ nối lưới khoảng thời gian từ đến 0.05s dạng song thu dao động mạnh Nhưng từ 0.1s trở sau biên độ dạng sóng tín hiệu trở trạng thái xác lập; • Ở Hình 4.11, phụ tải cân nên điện áp dòng điện phụ tải cân Giá trị biên độ dòng điện điện áp phụ tải khoảng 550 Vrms 380A; • Khi vận hành chế độ nối lưới lưới điện tác động ngược trở lại thành phần MicroGrid Và phụ tải lúc hoạt động theo lưới điện 4.3 Phân bố cơng suất trường hợp Để tính tốn phân bố cơng suất cho trường hợp, mơ hình chọn giá trị tham chiếu khối Power Tool tần số 50 Hz, công suất 100 MVA, vịng lặp cực đại 50 Kết sau tính tốn thể Hình 4.12 Hình 4.13, chi tiết kết trình bày Bảng 4.1 (Phân bố công suất chế độ độc lập) Bảng 4.2 (Phân bố công suất chế độ nối lưới) 49 Hình 4.12: Phân bố cơng suất chế độ độc lập Hình 4.13: Phân bố cơng suất chế độ nối lưới Từ Hình 4.12 Hình 4.13 cho thấy, ảnh hưởng điện áp MicroGrid đến lưới điện khơng đáng kể Khi hoạt động chế độ độc lập điện áp phân bố công suất lưới nguồn 0.9761 pu (Dịng dịng hình) Khi cho MicroGrid hoạt động với lưới điện điện áp có giảm giảm không đáng kể, lúc điện áp nguồn lưới 0.9744 pu 0.9701 pu Bảng 4.1: Kết tính tốn phân bố cơng suất chế độ vận hành độc lập P(MW) 31.30973 8.86E-07 31.17005 0.139685 Q(Mvar) 5.616547 -2.9E-05 2.217744 3.398832 : BUS_GRID V= 0.976 pu/25kV -37.39 deg P(MW) Generation PQ Load -1.3E-14 Z shunt 9.53E-05 *8* -0.00019 BUS_SOURCE 9.54E-05 Q(Mvar) 9.87E-15 9.53E-05 -0.00019 9.53E-05 Total generation Total PQ load Total Z shunt Total ASM Total losses : BUS_SOURCE V= 0.976 pu/0.4kV -67.39 deg 50 P(MW) Generation PQ Load Z shunt BUS_GRID 4.43E-16 9.54E-05 -9.5E-05 Q(Mvar) -1.8E-16 9.53E-05 -9.5E-05 : *6* V= 1.000 pu/120kV 0.00 deg ; Swing bus P(MW) Q(Mvar) Generation 31.30973 5.616547 PQ Load 0 Z shunt 0.047143 0.046838 *7* 31.26259 5.569709 : *7* V= 0.983 pu/25kV -36.18 deg P(MW) Generation PQ Load 8.86E-07 Z shunt 29.21757 *6* -31.137 *8* 1.919403 Q(Mvar) -2.9E-05 2.170716 -2.13666 -0.03403 : *8* V= 0.976 pu/25kV -37.39 deg P(MW) Q(Mvar) Generation 0 PQ Load 4.76E-14 -9.1E-15 Z shunt 1.905141 5.18E-12 *7* -1.90533 0.031599 BUS_GRID 0.000192 -0.0316 Bảng 4.2: Kết tính tốn phân bố cơng suất chế độ nối lưới P(MW) 31.49038 9.03E-07 31.34517 0.145203 Total generation Total PQ load Total Z shunt Total ASM Total losses Q(Mvar) 5.677479 -3E-05 2.211387 3.466121 : BUS_GRID V= 0.974 pu/25kV -37.63 deg P(MW) Q(Mvar) Generation 0 PQ Load 2.18E-14 1.05E-14 51 Z shunt *8* BUS_SOURCE 9.5E-05 9.5E-05 -0.19012 -0.01219 0.190029 0.012093 : BUS_LOAD V= 0.968 pu/0.4kV -72.93 deg P(MW) Q(Mvar) Generation 0 PQ Load -8.7E-15 -8.3E-15 Z shunt 0.187295 9.36E-05 BUS_MG -0.06189 -0.00192 BUS_SOURCE -0.12541 0.001822 : BUS_MG V= 0.969 pu/0.4kV -72.93 deg P(MW) Generation PQ Load -1.8E-14 Z shunt 0.000346 *5* 0.001287 BUS_LOAD 0.061964 BUS_SOURCE -0.0636 Q(Mvar) -6.6E-15 0.000341 -0.006 0.001916 0.003745 : BUS_SOURCE V= 0.970 pu/0.4kV -72.93 deg P(MW) Q(Mvar) Generation 0 PQ Load 1.82E-14 1.4E-14 Z shunt 9.41E-05 9.41E-05 BUS_GRID -0.1895 0.005473 BUS_LOAD 0.125722 -0.00182 BUS_MG 0.063679 -0.00374 : *4* V= 0.686 pu/0.4kV -43.07 deg P(MW) Q(Mvar) Generation 0 PQ Load 1.08E-14 3.62E-16 Z shunt 0.001253 -0.00611 *5* -0.00125 0.006105 : *5* V= 0.979 pu/0.28kV -43.07 deg P(MW) Q(Mvar) Generation 0 PQ Load 0 Z shunt 3.3E-05 3.48E-05 *4* 0.001254 -0.00611 52 BUS_MG -0.00129 0.00607 : *6* V= 1.000 pu/120kV 0.00 deg ; Swing bus P(MW) Q(Mvar) Generation 31.49038 5.677479 PQ Load 0 Z shunt 0.047143 0.046838 *7* 31.44323 5.630641 : *7* V= 0.983 pu/25kV -36.21 deg P(MW) Generation PQ Load 9.03E-07 Z shunt 29.20788 *6* -31.3161 *8* 2.108244 Q(Mvar) -3E-05 2.169996 -2.15671 -0.01326 : *8* V= 0.975 pu/25kV -37.54 deg P(MW) Generation PQ Load -2.6E-14 Z shunt 1.901034 *7* -2.09126 BUS_GRID 0.19023 Q(Mvar) -3.4E-14 5.08E-12 0.019213 -0.01921 4.4 Tổng kết Chương tiến hành mơ mơ hình đề nghị Chương Từ kết mô chế độ nối lưới chế độ độc lập cho thấy ảnh hưởng MicroGrid đến lưới điện không lớn Tuy nhiên thân MicroGrid giúp cho phụ tải giảm phụ thuộc vào lưới điện trường hợp hoạt động chế độ độc lập 53 Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN So với mục tiêu ban đầu đề ra, luận văn đạt số kết sau: • Đã trình bày khái quát MicroGrid đặc điểm kỹ thuật nó; • Có đề cập đến ảnh hưởng chất lượng điện thành phần cấu thành MicroGird; • Đã xây dựng mơ hình mơ để mô điện áp trường hợp giả định trường hợp MicroGrid vận hành nối lưới vận hành độc lập Kết mô cho thấy rằng, ảnh hưởng MicroGrid lên lưới điện khơng đáng kể so với lưới điện MicroGrid nhỏ Nhưng, với vấn đề lượng mơi trường việc áp dụng MicroGrid dùng lượng mặt trời lượng gió vào thực tiễn hồn tồn khả thi MicroGrid sử dụng nhiều công suất ngày tăng phụ tải giảm phụ thuộc vào lưới điện góp phần bảo vệ mơi trường hạn chế ấm lên trái đất Bên cạnh kết đạt luận văn phát triển, cải tiến thêm mơ hình mơ sau: • Sử dụng thêm mơ hình dị tìm cơng suất cực đại mơ hình PV Array; • Sử dụng nghịch lưu tối ưu 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Anh Tuấn, Nguyễn Mạnh Cường Quy hoạch hệ thống điện Việt Nam – nhìn từ phía an ninh lượng Quốc gia Viện lượng, 2014, tr [2] Đặng Đình Cung Năng lượng phát triển bền vững Việt Nam Internet: http://vietsciences.free.fr/timhieu/khoahoc/vatly/nangluongvaphattrien-vn1.htm, 29/09/2015 [3] Prabath Janaka Binduhewa Microsource interface for a MicroGrid The University of Manchester, 2010 [4] Lipsa Priyadarshanee Modeling and control of hybrid AC/DC MicroGrid Department of Electrical Engineering National Institute of Technology Rourkela, 2012 [5] Phạm Hồng Vân Nghiên cứu, điều tra, khảo sát đánh giá hệ thống phát điện kết hợp dạng lượng tái tạo cho cụm dân cư vùng lưới điện quốc gia Viện Năng lượng, Bộ Công Thương [6] Iván Patrao, Emilio Figueres, Gabriel Garcerá, Raúl González-Medina MicroGrid architectures for low voltage distributed generation Renewable and Sustainable Energy Reviews 43, pp 415 – 424, 2015 [7] Chris Greacen, Richard Engel, Thomas Quetchenbach A Guidebook on Grid Interconnection and Islanded Operation of Mini-Grid Power Systems Up to 200kW Lawrence Berkeley National Laboratory, April 2013 [8] M.S Mahmouda, S Azher Hussain, M.A Abido Modeling and control of MicroGrid: An overview Journal of the Franklin Institute Volume 351, Issue 5, Pages 2822–2859, May 2014 [9] S Chowdhury, S.P Chowdhury and P Crossley MicroGrids and Active Distribution Networks The Institution of Engineering and Technology London, 2009 [10] The Switch PMG vs DFIG The big generator technology debate [11] A P Sakis Meliopoulos Power System Modeling, Analysis and Control Marcel Dekker Inc October 19, 2004 [12] Roger C Dugan, Mark F McGran - aghan, Surya Santoso, and H Wayne Beaty Electrical Power Systems Quality, Second Edition McGraw Hill, 2003 [13] Tatjana Kalitjuka Control of Voltage Source Converters for Power System Applications Norwegian University of Science and Technology Department of Electric Power Engineering July 2011 [14] Tập đoàn điện lực Việt Nam Nguyên lý làm việc tuabin gió Internet: http://tietkiemnangluong.vn/Tham-khao/Kien-thuc-chuyen-mon/Nguyen-ly-lamviec-cua-tuabin-gio.aspx, 23/12/2015 [15] Lin Ye, Hai Bo Sun, Xu Ri Song, Li Cheng Li Dynamic modeling of a hybrid wind/solar/hydro MicroGrid in EMTP/ATP Renewable Energy, số 39 tr 96 – 106, 2012 S K L 0 ... NGUYỄN HỒI VIỆT MƠ PHỎNG CHẤT LƯỢNG ĐIỆN TRÊN LƯỚI ĐIỆN NHỎ (MG) TRONG TRƯỜNG HỢP NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KẾT HỢP VỚI NĂNG LƯỢNG GIÓ LÀM VIỆC VỚI LƯỚI ĐIỆN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202 Hướng... TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN HỒI VIỆT MƠ PHỎNG CHẤT LƯỢNG ĐIỆN TRÊN LƯỚI ĐIỆN NHỎ (MG) TRONG TRƯỜNG HỢP NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KẾT HỢP VỚI... luận văn khảo sát chất lượng điện hệ thống MicroGrid với nguồn phân tán lượng mặt trời lượng gió kết hợp làm việc với lưới điện trường hợp giả định 1.3 Nhiệm vụ luận văn Để tiến hành khảo sát chất