ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

PHẠM ĐỨC ĐỀ
TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ
TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG PHONG ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Thái Nguyên 2016


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

PHẠM ĐỨC ĐỀ

TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ
TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG PHONG ĐIỆN

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số:

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Nguyễn Như Hiển

Thái Nguyên 2016



Luận văn tốt nghiệp ngành Kỹ thuật điện

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Phạm Đức Đề
Sinh ngày 23 tháng 4 năm 1970
Học viên lớp cao học khóa 16 - Kỹ thuật điện - Trường Đại học Kỹ thuật
Công nghiệp - ĐH Thái Nguyên.
Hiện đang công tác tại: Sở Công Thương tỉnh Quảng Ninh.
Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tác giả. Nội
dung trong luận văn đúng như trong đề cương và yêu cầu của Thầy giáo hướng
dẫn, tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Nếu sai tôi
hoàn toàn chịu trách nhiệm.

Tác giả luận văn

Phạm Đức Đề

Phạm Đức Đề K16- KTĐ- ĐHKTCN Thái Nguyên

1


Luận văn tốt nghiệp ngành Kỹ thuật điện

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương, được sự giúp đỡ và


1

LỜI CẢM ƠN……….........……….......................................………….…….
MỤC LỤC ………………………….....................................................….....

2
3

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU……………………………....……………
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ……………...........................…
MỞ ĐẦU………………………………………………………...………......

5
6
8

CHƯƠNG I: NGHIÊN CỨU KHÁI QUÁT VỀ NĂNG LƯỢNG MỚI VÀ
NGUỒN ĐIỆN ĐỘC LẬP
1.1 Giới thiệu khái quát về hệ thống năng lượng mới.....................................
1.1.1 Các nguồn và công nghệ năng lượng mới..............................................

14
14

1.1.2 Vai trò của nguồn năng lượng mới.........................................................
1.1.3 Nguồn năng lượng mới ở Việt Nam.......................................................
1.2 Khái niệm về hệ thống điện độc lập..........................................................
1.2.1 Giới thiệu chung.....................................................................................
1.2.2 Vấn đề đảm bảo chất lượng điện năng....................................................


1.5.3 Lựa chọn điều kiện các bộ biến đổi........................................................ 31
1.6: Kết luận chương 1………………………………………………….…. 31
CHƯƠNG II: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THIẾT BỊ KHO ĐIỆN SỬ DỤNG SIÊU TỤ

2.1 Giới thiệu các bộ biến đổi DC- DC........................................................... 32
Phạm Đức Đề K16- KTĐ- ĐHKTCN Thái Nguyên

3


Luận văn tốt nghiệp ngành Kỹ thuật điện

2.2 Các bộ biến đổi DC- DC giảm tăng áp không cách ly..............................
2.2.1 Bộ biến đổi giảm áp ( buck)...................................................................
2.2.2 Bộ biến đổi tăng áp (boost)....................................................................
2.3 Mô hình thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ.................................................

33
33
36
39

2.3.1 Cấu trúc thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ..............................................
2.3.2 Thiết kế kho điện....................................................................................
2.3.3 Mô hình biến đổi DC- DC dùng trong thiết bị kho điện.........................
2.4 Kết luận Chương II....................................................................................

40
41

4.3 Mạch DC- AC............................................................................................
4.3.1 Sơ đồ lắp ráp của bộ biến đổi DC-AC....................................................
4.3.2 Kết quả thực nghiệm...............................................................................
4.4 Kết luận .................... ................................................................................
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.........................................................................
TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................
Phạm Đức Đề K16- KTĐ- ĐHKTCN Thái Nguyên

58
58
58
61
64
64
64
65
66
68
4


Luận văn tốt nghiệp ngành Kỹ thuật điện

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1

Phân loại kho năng lượng theo thời gian .....................................25

Bảng 1.2


Hình 2.1

Bộ biến đổi tăng - giảm áp…………………………….……….. 32

Hình 2.2

Bộ biến đổi buck..........................................................................

34

Hình 2.3

Mạch boost cơ bản.......................................................................

37

Hình 2.4

Mạch boost với khóa ở trạng thái đóng và mở............................. 37

Hình 2.5

Điện áp và dòng điện của bộ biến đổi ở chế độ liên tục............... 37

Hình 2.6

Thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ được tích hợp vào nguồn điện
độc lập theo phương án bù phân tán.............................................

40


Mô hình đơn giản của bộ biến đổi boot........................................ 54

Hình 3.5

Mô hình đơn giản của bộ biến đổi buck....................................... 55

Hình 4.1

Bộ biến đổi DC-DC và DC- AC cho siêu tụ................................

58

Hình 4.2

Mạch giảm áp sử dụng IC LM2569S...........................................

58

Hình 4.3

Sơ đồ nguyên lý mạch giảm áp sử dụng IC LM2569S................

59

Hình 4.4

Điện áp đầu vào mạch giảm áp sử dụng IC LM2569S................

59


61

Hình 4.9

Sơ đồ nguyên lý của mạch tăng áp sử dụng IC XL6009.............. 62

Hình 4.10 Điện áp vào của mạch tăng áp sử dụng IC XL6009..................... 62
Hình 4.11 Điện áp ra lớn nhất của mạch tăng áp sử dụng IC XL6009.........

63

Hình 4.12 Điện áp ra 20V của mạch tăng áp sử dụng IC XL6009...............

63

Hình 4.13 Sơ đồ lắp ráp bộ biến đổi DC – AC.............................................

64

Hình 4.14 Điện áp ra hình sin 220V bộ biến đổi DC – AC .........................

64

Hình 4.15 Điện áp ra hình sin 220V nhìn gần..............................................

65

Phạm Đức Đề K16- KTĐ- ĐHKTCN Thái Nguyên


nước ta trở thành một quốc gia mạnh về biển, giàu lên từ biển, bảo vệ vững
chắc chủ quyền, quyền chủ quyền quốc gia trên biển, góp phần giữ vững ổn
định và phát triển đất nước; kết hợp chặt chẽ giữa phát triển kinh tế – xã hội với
Phạm Đức Đề K16- KTĐ- ĐHKTCN Thái Nguyên

8


Luận văn tốt nghiệp ngành Kỹ thuật điện

đảm bảo quốc phòng, an ninh và bảo vệ môi trường; có chính sách hấp dẫn
nhằm thu hút mọi nguồn lực cho phát triển kinh tế biển; xây dựng các trung tâm
kinh tế lớn vùng duyên hải gắn với các hoạt động kinh tế biển làm động lực
quan trọng đối với sự phát triển của cả nước. Phấn đấu đến năm 2020, kinh tế
biển đóng góp khoảng 53 – 55% GDP, 55 – 60% kim ngạch xuất khẩu của cả
nước, giải quyết tốt các vấn đề xã hội, cải thiện một bước đáng kể đời sống của
nhân dân vùng biển và ven biển. Do đó, điện cung cấp cho sản suất và phát triển
kinh tế - xã hội là rất cần thiết, dù là lưới điện quốc gia hay mạng độc lập đều
phải cung cấp điện năng với chất lượng đảm bảo theo yêu cầu kỹ thuật.
Nguồn điện độc lập sinh ra từ các tổ hợp phát điện diesel, quy mô phụ tải
nhỏ và vừa, lưới điện có dung lượng hạn chế mang tính chất lưới yếu độc lập
hoàn toàn với lưới điện quốc gia mang tính chất lưới cứng. Các nguồn năng
lượng tái tạo đặc biệt là năng lượng gió được xem là một nguồn năng lượng
tiềm năng để bổ sung cho hệ thống điện độc lập. Hệ thống điện độc lập thông
thường lấy nguồn năng lượng từ tổ hợp phát điện diesel làm nền, là nguồn cung
cấp năng lượng chính, nguồn năng lượng từ hệ thống phát điện sức gió (PĐSG)
được huy động để giảm thiểu lượng tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch [3].
Nguyên tắc cơ bản để một hệ thống điện ổn định là sự cân bằng công
suất giữa nguồn phát và tải tiêu thụ. Mối quan hệ cân bằng nói trên phản ánh sự
cân bằng giữa công suất cơ của các nguồn năng lượng cơ sơ cấp cung cấp cho

hiện tượng điều chỉnh liên tục công suất nguồn phát làm cho tần số lưới luôn
biến động gây suy giảm nghiêm trọng chất lượng điện năng, ảnh hưởng tiêu cực
đến sự hoạt động của các thiết bị điện cũng như chính bản thân tuổi thọ của
động cơ diesel. Vì vậy, để khai thác hiệu quả năng lượng gió trong hệ thống
điện độc lập cần thiết phải có giải pháp kỹ thuật phù hợp để giảm thiểu hiện
tượng biến động công suất sao cho chất lượng điện năng (tần số) của cả hệ
thống phải được đảm bảo phù hợp với một số tiêu chuẩn IEEE 1547.4, EN
50160 hoặc IEC cho phép tần số lưới có sai lệch 50 ± 1%. Một trong những giải
pháp phát huy được hiệu quả đó là sử dụng thiết bị kho điện để bổ sung công
suất thiếu hụt hoặc hấp thụ công suất dư thừa của nguồn phát sức gió qua đó
làm trơn (smoothing) công suất đầu ra của các hệ thống PĐSG. Siêu tụ có
những ưu thế vượt trội so với các công nghệ tích trữ năng lượng khác trong
những ứng dụng đòi hỏi động học nhanh. Thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ
Phạm Đức Đề K16- KTĐ- ĐHKTCN Thái Nguyên

10


Luận văn tốt nghiệp ngành Kỹ thuật điện

(SCESS – Supercapacitor Energy Storage Systems) bao gồm siêu tụ và hệ thống
biến đổi năng lượng (tầng công suất) có khả năng trao đổi công suất hai chiều
đã được một số nhà khoa học nghiên cứu, thử nghiệm tích hợp trong hệ thống
điện với mục tiêu đảm bảo chất lượng điện năng. Các chiến lược điều khiển và
cấu trúc điều khiển của các công trình nghiên cứu trước đây phong phú nhưng
vấn đề điều khiển bộ biến đổi DC-DC hai chiều còn nhiều hạn chế như: điều
khiển tách biệt hai chiều năng lượng đòi hỏi phải có khóa chuyển giữa các chế
độ; hoặc điều khiển hợp nhất hai chiều năng lượng sử dụng một cấu trúc điều
khiển nhưng cơ sở thiết kế bộ điều khiển không tường minh do thiếu một mô
hình động học phù hợp với các phương pháp điều khiển tuyến tính, phi tuyến.

Phạm vi nghiên cứu:
Hệ thống điện độc lập được vận hành ở chế độ gió biến động ngẫu nhiên,
không xem xét đến điều kiện thời tiết khắc nghiệt như bão.
Phụ tải của hệ thống được giả thiết: Phân bố tập trung, đối xứng với hai
dạng thuần trở và tải trở cảm.
Thiết bị kho điện không vận hành ở chế độ sự cố lưới: Ngắn mạch, lồi/lõm
điện áp, mất đối xứng điện áp/dòng điện.
Thiết bị kho điện chỉ thực hiện chức năng ổn định ngắn hạn công suất từng
turbine PĐSG riêng rẽ (bù phân tán); không xử lý vấn đề hỗ trợ phụ tải đỉnh.
Ý nghĩa của đề tài:
Trong những năm gần đây, các hệ thống phát điện sức gió trên thế giới
cũng như trong nước phát triển mạnh mẽ. Với đặc điểm là một tỉnh giàu tài
nguyên gió, do có các khu vực hải đảo rộng lớn, nhưng chưa thể đi vào vận
hành khai thác hiệu quả do chưa có cấu trúc và thiết kế cụ thể, để giải quyết vấn
đề giảm thiểu sự ảnh hưởng của hiện tượng biến động công suất đầu ra của
turbine PĐSG đến hệ thống điện độc lập. Luận văn đặt ra mục tiêu thiết kế cấu
trúc điều khiển quá trình trao đổi năng lượng của thiết bị kho điện nhằm ổn định
ngắn hạn công suất đầu ra của turbine PĐSG, qua đó đảm bảo chất điện năng
trong hệ thống điện độc lập nguồn phát hỗn hợp gió – diesel.
Với những tiền đề như vậy luận văn hứa hẹn đem lại những ý nghĩa tích
cực về mặt khoa học lẫn thực tiễn:
Ý nghĩa khoa học: Chỉ ra khả năng ổn định công suất đầu ra của mỗi
turbine PĐSG bằng thiết bị kho điện SCESS với những cấu trúc điều khiển
Phạm Đức Đề K16- KTĐ- ĐHKTCN Thái Nguyên

12


Luận văn tốt nghiệp ngành Kỹ thuật điện



Luận văn tốt nghiệp ngành Kỹ thuật điện

CHƯƠNG I
NGHIÊN CỨU KHÁI QUÁT VỀ NĂNG LƯỢNG MỚI
VÀ NGUỒN ĐIỆN ĐỘC LẬP

1.1. Giới thiệu khái quát về hệ thống năng lượng mới
1.1.1. Các nguồn và công nghệ năng lượng mới
Năng lượng loài người đang sử dụng được xuất phát từ nhiều nguồn khác
nhau, có thể kể đến như sau:
- Từ thiên nhiên: Than đá, than bùn, dầu, khí thiên nhiên và địa
nhiệt,...theo ước tính thì khoảng độ 80 năm nữa nguồn năng lượng hóa thạch sẽ
bị cạn kiệt vì con người đã và đang sử dụng nhanh hơn mức tái tạo của thiên
nhiên.
- Từ nhân tạo: Nguồn năng lượng nguyên tử, năng lượng từ gió, năng
lượng từ ánh sáng mặt trời và năng lượng thủy triều,…trong đó đáng kể là
năng lượng gió và năng lượng mặt trời có tiềm năng rất to lớn. Tuy nhiên, do
hạn chế về công nghệ và giá thành sản xuất nên năng lượng gió và năng lượng
mặt trời chưa được phát triển ở những nước đang phát triển.
1.1.2. Vai trò của nguồn năng lượng mới
Công nghệ năng lượng mới hiện nay đã được phát triển mạnh và đang trên
đường thương mại hóa với giá thành ngày càng giảm, có thể đáp ứng được yêu
cầu hiện nay gồm:
- Thủy điện nhỏ.
- Năng lượng ánh sáng mặt trời.
- Năng lượng sức gió.
- Năng lượng khác: Năng lượng sinh khối, năng lượng địa nhiệt, năng
lượng thủy triều…
Trong đó thủy điện nhỏ đã được phát triển khá mạnh trên thế giới cũng

tế. Nguồn năng lượng này sẽ góp phần vào:
+ Hạn chế hiệu ứng nhà kính và sự hâm nóng toàn cầu.
+ Giải quyết ô nhiễm môi trường do việc gia tăng dân số và phát triển xã
hội của quốc gia trên thế giới.
+ Bổ túc vào sự thiếu hụt năng lượng trong tương lai khi nguồn năng
lượng trong thiên nhiên sắp bị cạn kiệt.
Phạm Đức Đề K16- KTĐ- ĐHKTCN Thái Nguyên

15


Luận văn tốt nghiệp ngành Kỹ thuật điện

- Năng lượng địa nhiệt và thủy triều đã bước đầu đầu tư nghiên cứu và
ứng dụng trên thế giới, tại Việt Nam do điều kiện về khoa học kỹ thuật và nền
kinh tế chưa phát triển nên chưa được đầu tư nghiên cứu mặc dù với bờ biển
trải dài từ bắc vào nam nên tiềm năng là rất lớn.
- Năng lượng tái tạo đã được đầu tư nghiên cứu và đã phát triển, tuy nhiên
do đặc thù của năng lượng tái tạo phân tán nhỏ lẻ khó tập trung nên chỉ thích
hợp cho năng lượng nông thôn khó phát triển để sản xuất điện năng.

1.2. Khái niệm về hệ thống điện độc lập
1.2.1. Giới thiệu chung
Hệ thống điện độc lập (RAPS - Remote Area Power Systems) là một hệ
thống điện độc lập hoàn toàn với lưới điện quốc gia nằm ở những khu vực xa
xôi – nơi mà lưới điện quốc gia không có khả năng vươn tới được. Hệ thống
điện nói chung bao gồm các nhà máy điện, trạm biến áp, các đường dây tải điện
và các thiết bị khác (như tụ bù, thiết bị bảo vệ,…) được liên kết với nhau. Đối
với hệ thống điện độc lập truyền thống, nguồn phát điện thường là các trạm
phát sử dụng năng lượng từ dầu Diezen (gọi là tổ hợp phát điện Diezen). Sự


Hình 1.1:Minh họa hệ thống điện độc lập
1.2.2. Vấn đề đảm bảo chất lượng điện năng
Hình 1.1: Minh họa hệ thống điện Độc lập
1.2.2 Vấn đề đảm bảo chất lượng điện năng
Hệ thống điện lai sức gió – Diezen, công suất nguồn phát lẫn dung lượng
lưới truyền tải là hữu hạn. Hệ thống điện lai sức gió – Diezen không trao đổi
công suất với lưới điện quốc gia mà phải tự đảm bảo các chỉ tiêu chất lượng
Phạm Đức Đề K16- KTĐ- ĐHKTCN Thái Nguyên

17


Luận văn tốt nghiệp ngành Kỹ thuật điện

điện năng trên cơ sở nguyên tắc cơ bản của bất cứ hệ thống điện nào: Cân bằng
công suất giữa nguồn và tải. Trong những nhân tố đó, phụ tải biến động ngẫu
nhiên (có thể dự đoán được nhưng không hoàn toàn chính xác); nguồn phát sức
gió có công suất đầu ra hoàn toàn biến động ngẫu nhiên theo những yếu tố địa
lý tự nhiên, gần như không thể dự đoán chính xác. Vì vậy, đảm bảo cân bằng
trong hệ thống điện lai sức gió – Diezen là một vấn đề không đơn giản. Nếu
công suất tác dụng của các nguồn phát nhỏ hơn yêu cầu của phụ tải thì tần số sẽ
giảm và ngược lại. Tần số là thước đo cân bằng công suất tác dụng. Khi tần số
nằm trong phạm vi cho phép (quy định bởi tiêu chuẩn chất lượng điện năng) thì
có nghĩa là đủ công suất tác dụng. Với công suất phản kháng, nếu công suất
phản kháng phát nhỏ hơn yêu cầu thì điện áp sẽ giảm, còn khi công suất phản
kháng nguồn lớn hơn yêu cầu của phụ tải thì điện áp sẽ tăng. Điện áp là thước
đo cân bằng công suất phản kháng trong hệ thống điện.
Trong hệ thống điện độc lập, công suất phản kháng được đáp ứng bởi
nguồn phát diesel, các bộ tụ bù, kháng điện, các bộ SVC, STATCOM được tích

tốc thường chậm hơn so với những biến động nhanh của nguồn phát điện sức
gió làm cho trạng thái cân bằng trong hệ thống không được đảm bảo. Hiện
tượng này làm suy giảm chất lượng điện năng, ảnh hưởng xấu đến sự hoạt
động của các thiết bị điện cũng như chính bản thân tuổi thọ của động cơ
Diezen.
Để giảm thiểu ảnh hưởng những biến động của công suất tác dụng đầu ra
hệ phát điện sức gió, có thể sử dụng thiết bị kho điện: tích hợp kho điện tại
từng turbine phát điện sức gió (bù phân tán) hoặc tích hợp kho điện tại bus
chung của các nguồn phát (bù tập trung). Kho điện sẽ hấp thụ công suất khi
nguồn sơ cấp dư thừa và giải phóng công suất khi nguồn sơ cấp thiếu hụt.
1.3. Thiết bị tích trữ năng lượng
Chức năng cơ bản của thiết bị tích trữ năng lượng là tích lũy khi nguồn sơ
cấp dư thừa và xả ra khi nguồn sơ cấp thiếu hụt. Các hệ thống kho năng lượng
được đặc trưng bởi khả năng tích lũy/xả ra khoảng thời gian (ngắn hạn hay dài
hạn) với công suất danh định. Thời gian cỡ một vài giây được xem là ngắn hạn,
trong khi đó lớn hơn một giờ được coi là dài hạn. Thời gian huy động năng lượng
từ thiết bị tích trữ năng lượng quyết định chức năng của kho trong hệ thống.
1.3.1. Bộ tích trữ năng lượng một chiều dùng ắc quy
Phạm Đức Đề K16- KTĐ- ĐHKTCN Thái Nguyên

19


Luận văn tốt nghiệp ngành Kỹ thuật điện

Kho năng lượng một chiều là sự kết hợp các phần tử R, C với nguồn một
chiều VDC. Được tạo thành từ việc ghép nối tiếp hoặc song song các ắcquy 12V
(24V) để cung cấp được dải công suất tính toán yêu cầu của hệ thống.
Ắcquy là một trong những công nghệ tích trữ năng lượng mang lại giá trị
hiệu quả kinh tế cao nhất, ở đó năng lượng được tích trữ duới dạng điện. Tất cả

với ắcquy chì thì nó nhỏ hơn, nhẹ hơn và gọn hơn về kích thước.
Ắcquy Nickel-Cadmium (Ni/Cad) là loại ắcquy có độ tin cậy cao, có đời
sống tính theo số chu kỳ nạp xả thuộc loại dài nhất, nhưng lại có mật độ năng
lượng thấp. Bên cạnh đó Cadmium là loại hóa chất độc nên ảnh hưởng nhiều
đến môi trường.
Ắcquy Lethium Ion là loại ắcquy tương đối mới, có nhiều ưu điểm nổi trội
hơn các thế hệ ắcquy trước đó như cho mật độ nạp rất cao (khối lượng nhẹ
nhưng có thể trữ được năng lượng cao), tuổi thọ chu kỳ phóng nạp cũng rất
cao.
Nhiều công nghệ chế tạo ắcquy đã được ứng dụng vào sản xuất như công
nghệ Nickel-Cadmium, Nickel-Metal, Lithium-Ion nhưng giá thành sản xuất rất
cao nên đã có một số công nghệ giá thành sản xuất ban đầu dẻ hơn như
Soldium-Sunfur, Zinc-Bromine, ắcquy axit điện cực chì (lead acid batteries).
Tuy nhiên thời gian làm việc thường ngắn sau 100000 lần nạp, phóng điện, tri
phí bảo dưỡng cao.
Trong hệ thống BESS (BESS - Battery Energy Storage System là hệ thống
tích trữ năng lượng nguồn ắcquy. BESS thuộc nhóm thiết bị bù song song trong
hệ thống. BESS ra đời nhờ sự kết hợp giữa tiến bộ của công nghệ ăcquy với
công nghệ điện tử công suất dựa trên nền tảng của chỉnh lưu PWM với các
thuật toán điều khiển thông minh), ắcquy axit điện cực chì được phối hợp chặt

Phạm Đức Đề K16- KTĐ- ĐHKTCN Thái Nguyên

21


Luận văn tốt nghiệp ngành Kỹ thuật điện

chẽ với các thiết bị điện tử công suất nên đã cải thiện được thời gian làm việc
và giảm trí phí bảo dưỡng.