BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
LƯƠNG SƠN KHỞI

MÔ HÌNH HÓA VÀ ĐIỀU KHIỂN MỘT HỆ THỐNG TÍCH HỢP
NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202

S K C0 0 4 6 3 5

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
LƢƠNG SƠN KHỞI

MÔ HÌNH HÓA VÀ ĐIỀU KHIỂN MỘT HỆ THỐNG TÍCH
HỢP NĂNG LƢỢNG GIÓ VÀ NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI

NGÀNH:KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202
Hướng dẫn khoa học:
PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC



Nơi học (trường, thành phố):

Trường ĐHSư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM

Ngành học:

Điện Công Nghiệp

Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: “Thiết kế và thi công thiết bị nâng
cao chất lượng điện năng”
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp:Trường Đại Học Sư
Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
Người hướng dẫn: TS. Trương Việt Anh
III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT
NGHIỆP ĐẠI HỌC:
Thời gian

Nơi công tác

Công việc đảm nhiệm

Từ tháng 04 /2011

Cty cổ phần Dệt Texhong Việt

Trưởng ca xưởng sản

Nam



iii


LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên,tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy PGS.TS Nguyễn Hữu
Phúc, người đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện
quyển luận văn này.
Xin cảm ơn các Thầy Cô đã cho em nền tảng kiến thức – tri thức quí báu.
Xin cám ơn quý Thầy Cô trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM,
Khoa Cơ –Điện – Điện Tử, Phòng Quản Lý Khoa Học - Đào Tạo Sau đại học, tập
thể lớp 2012b và 2013b đã tạo cơ hội cho em thực hiện Luận văn này.
Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn cha mẹ và người thân đã luôn ở bên tôi
và động viên tôi rất nhiều để tôi hoàn thành khóa học này.

Lương Sơn Khởi

iv


TÓM TẮT
Ngày nay, việc phát triển trong lĩnh vực năng lượng tái tạo và phát điện phân
tán đã đạt được nhiều thành tựu đáng kể trong vài năm kể lại đây mà cụ thể của đề
tài em là năng lượng gió và năng lượng mặt trời, đây là các lĩnh vực năng lượng
sạch, vô tận và thân thiện với môi trường. Trong tình hình nhu cầu năng lượng ngày
càng cao thì việc đa dạng hóa các nguồn năng lượng từ các nguồn năng lượng mới
và vô tận là một giải pháp hiệu quả và luôn được khuyến khích phát triển. Các
nguồn năng lượng này sẽ giảm bớt một phần gánh nặng từ áp lực cung cấp điện
năng của lưới điện, chủ yếu dựa vào nguồn năng lượng hóa thạch như nhiệt điện,
điện hạt nhân, thủy điện…. Tuy nhiên, việc phát triển năng lượng tái tạo cũng có

effective aproach, which are always encouraged. Those resource will redue demand
of energy from hydroelectric plant and thermoelectricity plant on power system.
However, solar energy have low rate power and dispersion. To increase efficiency
of solar energy need to connect them with power network via invertor, which can
link to power system.
The whole of operation of solar cell units link to power network, beside the
requirement the solar cell units must operate at the maximum power point, the
current was injected to power grid must have minimum total hamonic disturbance
(THD). Solving this requirement, Particle Swarm Optimization (PSO) theory was
introduced and implement in this thesis to determine controll factors of PI current
regulator.
In the case of wind energy field, that wind generators were operated
independently, designing of new wind generator which can connect to national
power network is very necessary.
This thesis focuses on solving the problems of maintaining normal operation
of

the

power

load

when

microgrid

changing

from

1.5 Điểm mới của luận văn ................................................................................. 5
1.6 Giá trị thực tiễn của luận văn ...................................................................... 5
1.7 Nội dung của luận văn .................................................................................. 6
CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN
2.1 Microgrid và phát điện phân tán ................................................................. 7
2.2 Tổng quan về hệ thống chuyển đổi năng lƣợng gió .................................... 9
2.2.1 Các thành phần của hệ thống chuyển đổi năng lượng gió........................ 9
2.2.2 Các loại hệ thống chuyển đổi năng lượng gió ........................................ 10
2.2.2.1 Hệ thống turbine gió tốc độ cố định .................................................... 11
2.2.2.2 Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi, biến đổi toàn bộ công suất ....... 12
2.2.2.3Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi, biến đổi một phần công suất .... 13

vii


2.2.2.4Tổng quan về các kiểu turbine gió ....................................................... 14
2.3 Tổng quan về pin năng lƣợng mă ̣t trời .................................................... 15
2.3.1 Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng của tương lai ..................... 15
2.3.2 Cấu trúc kết nội các tấm pin mặt trời ................................................... 16
2.3.3 Các mô hình kết nối lưới trong hệ thống điện mặt trời một pha .......... 19
2.4 Tổng quan về kết nối turbine gió và mă ̣t trời trong
lƣới điện Microgrid ..................................................................................... 21
CHƢƠNG 3: KHẢO SÁT VÀ TÍNH TOÁN
3.1 Năng lƣợng gió và công suất turbine ....................................................... 23
3.1.1 Năng lượng gió ..................................................................................... 23
3.1.2 Hiệu suất turbine gió ............................................................................ 26
3.1.3 Đường cong hiệu suất turbine gió ........................................................ 29
3.1.4 Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG).......................... 32
3.2 Pin năng lƣợng mặt trời và phƣơng trình toán của pin năng lƣợng
mặt trời ........................................................................................................ 35

4.2.1 Khối PI_V ........................................................................................... 70
4.2.2 Khối PLL ............................................................................................ 71
4.2.3 Khối DC/AC ....................................................................................... 71
4.2.4 Khối điều khiển Hysteresis (điều khiển bang-bang) .......................... 72
CHƢƠNG 5: KẾT QUẢ, KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN
5.1 Trƣờng hợp nghiên cứu và các kết quả ................................................ 73
5.1.1 Trường hợp nghiên cứu ...................................................................... 73
5.1.2 Kết quả mô phỏng nguồn DG nối lưới trong trường hợp nghiên
cứu đã xét đến .............................................................................................. 75
5.1.2.1 Kết quả mô phỏng nguồn DG – năng lượng mặt trời nối lưới ........ 76
5.2 Nhận xét và đánh giá ............................................................................... 82
5.3 Các vấn đề đƣợc thực hiện trong luận văn............................................ 83
5.4 Đề nghị và các hƣớng phát triển của luận văn ...................................... 84
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................... 85

ix


DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
MBA:

Máy biến áp

IG:

Induction generator (Máy phát điện không đồng bộ)

SG:
HAWT:


Phase locked loops (Phương pháp sát định góc pha)

PV:

Photovoltaic (Pin mặt trời)

PI:

Proportional Integral (Điều khiển PI)

x


DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH

TRANG

Chƣơng 2:
Hình 2.1: Công nghệ điều khiển kết nối lưới điện tại Singapore và Hoa kỳ ...7
Hình 2.2: Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió cơ bản ...................................8
Hình 2.3: Hệ thống turbine gió tốc độ cố định .................................................9
Hình 2.4: Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi ..............................................11
Hình 2.5: Hệ thống turbine gió thay đổi tốc độ với bộ biến đổi phía roto .....13
Hình 2.6: Cấu tạo turbine gió trục đứng và trục ngang ..................................13
Hình 2.7: Dự đoán các nguồn năng lượng sử dụng trong thế kỷ 21 ..............15
Hình 2.8: Cấu trúc dạng mô đun ....................................................................16
Hình 2.9: Cấu trúc dạng chuỗi........................................................................17
Hình 2.10: Cấu trúc dạng nhiều chuỗi ............................................................17
Hình 2.11: Cấu trúc dạng trung tâm ...............................................................18

Hình 3.20: Giản đồ dòng và áp ngõ ra nghich lưu SPWM ............................46
Hình 3.21: Sơ đồ kết nối đơn giản của bộ nghịch lưu 3 pha ..........................47
Hình 3.22: Dạng sóng dòng điện trong phương pháp điều khiển bang bang trên
1 pha .......................................................................................................................48
Hình 2.23: Giải thuật điều khiển bang bang trên một nhánh .......................48
Hình 3.24: Giải thuật điều khiển bang bang cải tiến ......................................49

Chƣơng 4:
Hình 4.1 Sơ đồ kết nối ................................................................................. 51
Hình 4. 2 Sơ đồ tổ ng quát mạch mô phỏng ................................................. 52
Hình 4.3: Sơ đồ kết nối máy phát điện gió với lưới điện thông qua
bộ AC-DC/DC-AC ...................................................................................... 52
Hình 4. 4Sơ đồ kết nối của khối turbinevà máy phát điện .......................... 52
Hình 4. 5 Sơ đồ kết nối trong mô phỏng khốiturbine gió ........................... 53
Hình 4. 6 Sơ đồ kết nối mô phỏng của khối máy phát điện nam
châm vĩnh cửu ............................................................................................. 54
Hình 4. 7 Mô hình mô phỏng của khối cơ khí trong PMSG ....................... 54
Hình 4. 8 Mô hình mô phỏng của khối điện trong PMSG .......................... 54

xii


Hình 4. 9 Thông số kỹ thuật của PMSG...................................................... 55
Hình 4. 10 Sơ đồ kết nối mạch chỉnh lưu .................................................... 56
Hình 4. 11 Sơ đồ kế t nố i của khố i năng lươ ̣ng mă ̣t trời .............................. 56
Hình 4. 12 Sơ đồ kết nối của khối nghịch lưu ............................................. 57
Hình 4. 13 Sơ đồ kết nối của khối lưới điện phân phối............................... 57
Hình 4. 14 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của mạch điện mô phỏng............... 58
Hình 4. 15 Sơ đồ kết nối của khối điều khiển pin năng lượng mặt trời ...... 59
Hình 4. 16 Lưu đồ giải thuật P&O .............................................................. 60

DANH SÁCH CÁC BẢNG
BẢNG

TRANG

Bảng 5-1 Bảng kết quả mô phỏng năng lượng gió hòa lưới hòa lưới ......... 77
Bảng 5.2: Bảng kết quả mô phỏng hệ thống năng lượng mặt
trời hòa lưới ................................................................................................. 78

xiv


Mô hình hóa và điều khiển một hệ thống tích hợp năng lượng gió & năng lượng mặt trời
GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU
1.1 Đặt vấn đề
Ngày nay, ngành công nghiệp điện đang có những bước tiến đột phá và phát
triển đồng bộ từ các khâu: sản xuất, truyền tải và phân phối, cũng như đưa ra các
phương thức vận hành và sử dụng điện sao cho hiệu quả, tiết kiệm. Đặc biệt với
hiệu ứng nóng lên của trái đất, sự cạn kiệt của các nguồn năng lượng hóa thạch, sự
bùng nổ tăng trưởng của các nước đang phát triển. Bên cạnh đó dân số ngày càng
tăng, ước tính đến năm 2050 khoảng 9.5 tỷ người, nhiệt độ trung bình của trái đất
có thể tăng lên 600C. Điều này dẫn đến yêu cầu bức thiết phải có những phương
thức mới trong việc cung cấp và sử dụng nguồn năng lượng sao cho giảm thiểu sự
phát thải khí CO2.
Để có thể đạt được các mục tiêu trên, chúng ta phải xây dựng một hệ thống điện
và phương thức vận hành, cũng như trong kinh doanh có khả năng cho phép chỉ ra
những nhà máy điện phải nâng cao hiệu suất, các loại nguồn năng lượng mới được
khuyến khích phát triển như năng lượng mặt trời, gió, khí sinh học.v.v..ở những địa

quốc gia đã và đang phát triển đều xem năng lượng mă ̣t trời và năng lượng gió là
nguồn năng lượng lý tưởng phù hợp với xu hướng phát triển mới của nhân loại,
được ưu tiên đầu tư hàng đầu trong các chính sách về năng lượng. Khi sử dụng năng
lượng tái tạo có những thuận lợi như sau :
- 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 tấ m pin năng lươ ̣ng mă ̣t trời , các turbin gió là
tương đối nhanh.
- Mặc dù năng lượng mă ̣t trời và gió hiện nay có giá đắt hơn nhiều so với nguồn
năng lượng truyền thống, nhưng nó không bị ảnh hưởng bởi giá nguyên liệu
và sự gián đoạn cung cấp.
- Ở các nước phát triển nhà nước hỗ trợ về thuế và các ưu đãi khác.
- Tạo ra nhiều công ăn việc làm hơn so với các nhà máy năng lượng khác, khi
cùng sản xuất ra một đơn vị năng lượng. Số người làm việc cho các trung tâm

HVTH: Lương Sơn Khởi

Trang 2


Mô hình hóa và điều khiển một hệ thống tích hợp năng lượng gió & năng lượng mặt trời
GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

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 mă ̣t trời và gió có thể thay đổi cho nhiều ứng dụng có

để thu được công suấ t lớn nhấ t từ năng lươ ̣ng mă ̣t trời.
1.2 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 3


Mô hình hóa và điều khiển một hệ thống tích hợp năng lượng gió & năng lượng mặt trời
GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

- Xây dựng phương trình và giải thuật để tính toán bộ chuyển đổi năng lượng.
- Xây dựng khối pin lưu trữ năng lượng (battery) nối lưới và bộ điều khiển để
ổn định điện áp hai đầu cực nút tải khi cắt microgrid 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.
1.3 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 lươ ̣ng 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.

1.5 Điểm mới của luận văn
- Xây dựng hoàn chỉnh mô hình kết nối bô ̣ năng lươ ̣ng mă ̣t trời

và máy phát

điện gió có công suất nhỏ trong lưới Microgrid hòa đồng bộ 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.
1.6 Giá trị thực tiễn của luận văn
- Đóng góp một giải pháp quan trọng trong việc dần thay thế các nguồn năng
lượng hóa thạch bằng các nguồn năng lượng vô tận trong xu thế phát triển của
thế giới ngày nay.
- Đây là giải pháp rất khả thi để nâng cao chất lượng điện năng cho các vùng
sâu, vùng xa và xa trung tâm phụ tải. Tại các khu vực này do điều kiện địa lí
tự nhiên nên thường là các vùng cuối lưới điện nên điện áp không đảm bảo.
Việc dùng các bô ̣ năng lươ ̣ng mă ̣t trời

HVTH: Lương Sơn Khởi

kết hợp hay riêng rẻ cùng với năng

Trang 5


Mô hình hóa và điều khiển một hệ thống tích hợp năng lượng gió & năng lượng mặt trời

L

0

0

2

1

5

4