ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN TRUNG THAO

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN LAI SỨC GIÓ
VÀ MẶT TRỜI TẠI TỈNH LÀO CAI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỆN

Thái Nguyên - năm 2020


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN TRUNG THAO

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN LAI SỨC GIÓ VÀ
MẶT TRỜI TẠI TỈNH LÀO CAI
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN
Mã số: 8 52 02 01

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. Đặng Danh Hoằng

Thái Nguyên - năm 2020

LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Nguyễn Trung Thao
Sinh ngày: 19 tháng 10 năm 1990
Học viên lớp cao học khoá 21 – Kỹ thuật điện - Trường Đại học Kỹ Thuật
Công Nghiệp – Đại học Thái Nguyên.
Hiện đang công tác tại: Trường Cao đẳng Lào Cai.
Tơi cam đoan tồn bộ nội dung trong luận văn do tôi làm theo định hướng
của giáo viên hướng dẫn, không sao chép của người khác.
Các phần trích lục các tài liệu tham khảo đã được chỉ ra trong luận văn.
Nếu có gì sai tơi hồn toàn chịu trách nhiệm.
Tác giả luận văn

Nguyễn Trung Thao

ii


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên tác giả xin chân thành cảm ơn tới các thầy giáo, cô giáo Khoa
sau đại học, Khoa Điện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp cùng các thầy
giáo, cô giáo, các anh chị tại Trung tâm thí nghiệm đã giúp đỡ và đóng góp
nhiều ý kiến quan trọng cho tác giả để tác giả có thể hồn thành bản luận văn
của mình.
Trong q trình thực hiện đề tài tôi đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của
các thầy, cơ giáo trong khoa Điện của trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp
thuộc Đại học Thái Nguyên và các bạn đồng nghiệp. Đặc biệt là dưới sự hướng
dẫn và góp ý của thầy TS. Đặng Danh Hoằng đã giúp cho đề tài hồn thành
mang tính khoa học cao. Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ quý báu của các
thầy, cô.
Do thời gian, kiến thức, kinh nghiệm và tài liệu tham khảo còn hạn chế nên

1.2.1.2. Khó khăn .................................................................................... 18
1.2.2. Tiềm năng, thực trạng khai thác năng lượng gió .............................. 18
1.3. Kết luận chương 1.................................................................................. 20
CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG LAI
GIÓ VÀ PIN MẶT TRỜI................................................................................. 22
2.1. Cấu trúc hệ thống điện mặt trời [16].................................................... 22
2.1.1. Pin mặt trời (PV - Photovoltaic) ...................................................... 22
2.1.1.1. Khái niệm................................................................................... 22
4


2.1.1.2. Mơ hình tốn và đặc tính làm việc của pin mặt trời .................. 23
2.1.1.3. Khối xác định và duy trì điểm làm việc có cơng suất lớn nhất . 26
2.2. Cấu trúc điều khiển hệ thống năng lượng gió ..................................... 34
2.2.1. Điều khiển turbine............................................................................ 36
2.2.2. Điều khiển Crowbar hoặc Stator switch .......................................... 39
2.2.3. Điều khiển phía lưới và phía máy phát ............................................ 39
2.3. Cấu trúc điều khiển của hệ thống lai gió và mặt trời ......................... 40
2.4. Thiết kế bộ điều khiển cho bộ nghịch lưu DC/AC .............................. 41
2.4.1 Mở đầu ............................................................................................... 41
2.4.2. Chuyển đổi khung tham chiếu .......................................................... 41
2.5. Thiết kế điều khiển nghịch lưu nối lưới DC/AC ................................. 46
2.6. Kết luận chương 2 .................................................................................. 47
CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG48
3.1. Xây dựng mơ hình hệ thống điều khiển nguồn lai gió và mặt trời trên
phần mềm Matlab/Simulink [4]................................................................... 48
3.2. Kết quả mô phỏng .................................................................................. 50
3.3. Đánh giá chất lượng điều khiển hệ thống ............................................ 54
3.4. Kết luận chương 3 .................................................................................. 54
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................... 55


Igc

Dòng quang điện (A)

5

I0

Dòng bão hòa (A)

6

Tc

Nhiệt độ tuyệt đối của tế bào (0K)

7

Tref

Nhiệt độ tham chiếu của tế bào quang điện (0K)

8

Isc

Dịng điện ngắn mạch trong điều kiện chuẩn

9


15

T

Chu kỳ dịng điện

16

fDC

Tần số đóng cắt

17

C

Tụ điện

18

L

Cuộn kháng

19

D

Hệ số làm việc

Góc xoay của cánh gió so với mặt cắt ngang đi qua

24

p

25

vgm

Tốc độ gió

26

tb

Tốc độ góc quay của turbine

27

p

Công suất tác dụng

28

q

Công suất phản kháng


u

Điện áp lưới

35

i

Dòng điện

trung tâm của cánh gió

Tần số góc nguồn điện

36 p , q


Cơng suất tác dụng, phản kháng tương ứng với hệ trục

37
dq

Công suất tác dụng, phản kháng tương ứng với hệ trục

Pdq , qdq

Các chữ viết tắt
STT Ký hiệu

Diễn giải nội dung đầy đủ


43

TNHH

Trách nhiệm hữu hạn
vii


44

PV

Photovoltaic

45

Si

Silicon

46

P

Photpho

49

MPPT


8


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Số liệu về bức xạ năng lượng Mặt trời của các vùng ở Việt Nam ........................... 16

9


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Mơ hình điện mặt trời cho cơ quan, hộ gia đình................................... 4
Hình 1.2: Cánh đồng pin năng lượng mặt trời (ven biển)..................................... 5
Hình 1.3: Lắp đặt pin năng lượng mặt trời trên mái nhà ...................................... 5
Hình 1.4: Lắp đặt pin năng lượng mặt trời trên đồi núi ........................................ 6
Hình 1.5: Phương pháp tổ hợp pin mặt trời .......................................................... 7
Hình 1.6: Tuabin gió - Ngày càng có nhiều các tua bin gió hiện đại được thiết kế
và lắp đặt ở độ cao trên 100m. Độ cao đặt tua bin tăng lên cho phép tăng được
đường kính cánh quạt (tăng cơng suất) và giải phóng được diện tích đất cho các
hoạt động kinh tế khác. ......................................................................................... 8
Hình 1.7: Đồ thị cơng suất điện (We) của tua bin ở các tốc độ gió (m/s) khác
nhau ..................................................................................................................... 10
Hình 1.8: Đồ thị giá thành 1 MWe từ các nguồn năng lượng............................. 14
Hình 1.9: Đồ thị thể hiện số giờ nắng trong các tháng tại tỉnh Lào Cai...............
15
Hình 1.10: Phân bố nắng tại tỉnh lào Cai theo Global Solaratlas ....................... 17
Hình 2.1: Mơ hình tương đương của module PV ............................................... 23
Hình 2.2: Quan hệ I(U) và P(U) của PV ............................................................. 24
Hình 2.3: Họ đặc tính của PV ............................................................................. 25
Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý bộ giảm áp Buck ...................................................... 27

Hình 3.8: Đáp ứng tốc độ của máy phát gió ....................................................... 52
Hình 3.9: Đáp ứng mơ men của máy phát gió .................................................... 53
Hình 3.10: Đáp ứng cơng suất phản kháng của hệ thống ................................... 53

11


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Đề tài nghiên cứu khảo sát tiềm năng phát triển khai thác nguồn năng
lượng mặt trời tại tỉnh Lào Cai bằng việc thiết kế hệ thống điều khiển nhằm khai
thác được nguồn năng lượng mặt trời đưa vào phục vụ sản xuất và đời sống,
nhất là áp dụng cho các cơ quan cấp sở của tỉnh Lào Cai nhằm góp phần giảm
tiêu hao năng lượng hóa thạch, đồng thời giảm phát thải khí gây hiệu ứng nhà
kính. Nguồn năng lượng gió và mặt trời phong phú với nguồn gió ở các khu vực
núi cao và bức xạ nắng trung bình là 5kWh/m2 /ngày. Bên cạnh đó việc sử dụng
năng lượng mặt trời như là một nguồn năng lượng tại chỗ để thay thế cho các
dạng năng lượng truyền thống đáp ứng nhu cầu năng lượng của các vùng dân cư
không tập trung là một kế sách có ý nghĩa về mặt kinh tế, an ninh quốc phịng và
phát triển văn hố giáo dục…
Từ những đánh giá quan trọng trên chúng ta cần phải tiến hành nghiên cứu
tiềm năng khai thác nguồn năng lượng gió và mặt trời tại tỉnh Lào Cai cũng như
nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển hệ thống này để cung cấp cho một số
phụ tải tại tỉnh Lào Cai. Vì vậy em chọn đề tài: "Nghiên cứu ứng dụng hệ
thống phát điện lai sức gió và mặt trời tại tỉnh Lào Cai".
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Nghiên cứu khảo sát tiềm năng năng lượng gió và mặt trời tại tỉnh lào
Cai.
- Đánh giá khả năng khai thác nguồn năng lượng gió và mặt trời để cung
cấp cho một số phụ tải tại tỉnh Lào Cai.

điện độc lập là giải pháp duy nhất. Trước đây, nguồn cung cấp cho mạng điện
độc lập chủ yếu là máy phát điện diesel với công suất từ vài chục đên một vài
trăm kW. Ngày nay, việc sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo cho mạng điện
độc lập đang được phổ cập. Ví dụ như: hệ pin mặt trời, điện sức gió, điện đại
dương, V.V. Mơ hình mạng điện độc lập nguồn năng lượng tái tạo được phát
triển đa dạng cả về loại nguồn và cấu trúc sơ đồ, đa dạng về công suất từ nhỏ
đến vừa phù hợp cho cắc đối tượng ứng dụng khác nhau, thậm chí dùng riêng
cho một phụ tải hay một hộ gia đình. Ví dụ như trên các hình vẽ sau;
Sơ đồ trên hình 1.1 mơ tả một mạng điện với nguồn được sử dụng ở đây là
dạng pin mặt trời gồm các module kết nối thành hệ nguồn PV Array có điện áp
và công suất phù hợp. Pin sản sinh ra điện một chiều qua bộ điều khiển nạp cho
ắc quy có dung lượng 3116 Wh/ ngày. Từ ắc quy, một nhánh cấp trực tiếp cho tủ
lạnh chạy điện dc, một nhánh khác thông qua biến tần DC/AC cấp cho các tải
xoay chiều trong cơ quan, hộ gia đình.


Hình 1.1: Mơ hình điện mặt trời cho cơ quan, hộ gia đình
Phương pháp khai thác nguồn năng lượng pin mặt trời
Hệ thống điện sử dụng năng lượng tái tạo nối lưới là một hệ thống cho
phép tích hợp điện năng của năng lượng điện của nhiều loại năng lượng tái tạo
nói chung và của năng lượng mặt trời nói riêng trong một bộ biến đổi điện tử
công suất để biến đổi thành điện xoay chiều 1 pha hoặc 3 pha có tần số 50Hz
(hoặc 60Hz) cung cấp trực tiếp cho tải hoặc nối với lưới điện quốc gia hoặc lưới
điện khu vực. Hệ thống này rất linh hoạt trong lắp đặt và sử dụng và là một bộ
phận không thể thiếu được của lưới điện thông minh.
Việc khai thác nguồn năng lượng mặt trời hiện nay đang phát triển rất
mạnh mẽ, nhất là ở các nước có nền kinh tế phát triển như Mỹ, Trung Quốc, …
Có nhiều phương thức lắp đặt các tấm pin mặt trời để khai thác nguồn năng
lượng này như: Lắp đặt ở ven biển thành dạng cánh đồng pin mặt trời (hình 1.2),
lắp trên các mái nhà (hình 1.3), lắp đặt trên đồi núi (hình 1.4), v.v…

thụ tương ứng với công suất tại MPP.
Xuất phát từ các cell đơn lẻ với công suất và điện áp nhỏ, PVg thường được
sử dụng dưới dạng tổ hợp các cell thành module, tổ hợp các module thành panel,
tổ hợp các panel thành array như mô tả trên hình 1.1. Trong đó, các nhà sản xuất
cung cấp ra thị trường các sản phẩm được đóng gói dưới dạng các panel.

Hình 1.5: Phương pháp tổ hợp pin mặt trời
1.1.2. Tổng quan về nguồn năng lượng gió [11, 21]
Điện gió - là một lĩnh vực của ngành năng lượng, chun về chuyển đổi
động năng của khơng khí trong khí quyển thành điện năng, cơ năng, nhiệt năng,
hay một dạng năng lượng khác để phục vụ cho nền kinh tế. Việc chuyển đổi này
được thực hiện bằng các tổ hợp thiết bị, như máy phát điện bằng tua bin gió (để
thu được điện năng), cối xay gió (để thu được cơ năng), cánh buồm (trong vận
tải), v.v...
Năng lượng gió có được nhờ hoạt động của mặt trời, vì vậy thuộc dạng tự
tái tạo, dễ tiệm cận, sạch về sinh thái và có chi phí vận hành thấp. Các trạm điện
tua bin gió lớn thường được nối với hệ thống điện, các trạm nhỏ hơn thường
được xây dựng và vận hành để cung cấp điện cho những vùng ở xa lưới điện.


Hình 1.6: Tuabin gió - Ngày càng có nhiều các tua bin gió hiện đại được thiết
kế và lắp đặt ở độ cao trên 100m. Độ cao đặt tua bin tăng lên cho phép tăng
được đường kính cánh quạt (tăng cơng suất) và giải phóng được diện tích đất
cho các hoạt động kinh tế khác.
Việc phát triển điện gió thường gặp một số khó khăn mang tính kỹ thuật và
kinh tế. Khi tỷ trọng của điện gió trong lưới điện tăng lên, sự khơng ổn định của
gió sẽ làm gia tăng sự khơng ổn định trong cung cấp điện, địi hỏi phải áp dụng
công nghệ thông minh trong vận hành và quản lý hệ thống phân phối điện. Các
nhược điểm cơ bản của việc phát triển điện gió gồm:
1/ Sản lượng điện phát ra của các tua bin gió phụ thuộc hồn tồn vào sức

độ cao hơn 100m.
Các máy phát điện gió (tua bin gió) có thể chia thành 2 loại: cơng nghiệp
và gia dụng. Các máy tua bin gió cơng nghiệp hiện đại có cơng suất lên tới
7,5MWe. Cơng suất của tua bin gió phụ thuộc vào diện tích hứng gió của các
cánh quạt (rotor của tua bin) và chiều cao của tua bin so với mặt đất.
Ví dụ, loại tua bin gió cơng suất 3MWe (V90) của hãng Vestas (Đan Mạch)
có tổng chiều cao 115m, chiều cao tháp 70m, và đường kính cánh quạt 90m.


Theo lý thuyết về khí động học, các luồng khơng khí chuyển động ở gần
mặt đất hay mặt biển thuộc loại các dịng chảy theo lớp/tầng (laminar), trong đó,
các lớp nằm thấp hơn sẽ cản các lớp nằm ở phía trên cao hơn. Hiệu ứng này rất
rõ nét ở độ cao đến 1000m, nhưng giảm mạnh ở độ cao trên 100m. Vì vậy, ngày
càng có nhiều các tua bin gió hiện đại được thiết kế và lắp đặt ở độ cao trên
100m. Độ cao đặt tua bin tăng lên cho phép tăng được đường kính cánh quạt
(tăng cơng suất) và giải phóng được diện tích đất cho các hoạt động kinh tế
khác.
Các tua bin gió hiện đại được thiết kế phát điện ở tốc độ gió từ 3m/s và tự
động dừng phát điện khi tốc độ gió lớn hơn 25m/s. Hiệu suất tối đa của tua bin
gió thường đạt được ở tốc độ gió 15m/s. Cơng suất phát điện của tua bin gió tỷ
lệ bậc 3 với tốc độ gió. Ví dụ, nếu tốc độ gió tăng lên 2 lần (từ 5m/s lên 10m/s),
công suất phát điện sẽ tăng lên 8 lần.

Hình 1.7: Đồ thị cơng suất điện (We) của tua bin ở các tốc độ gió (m/s)
khác nhau
Đồ thị trên cho thấy, một tua bin gió có cơng suất khoảng 500W ở tốc độ
gió 5m/s, và có cơng suất khoảng 4.900W ở tốc độ gió 10m/s (tăng gần 10 lần).


Trên thế giới, tua bin gió phổ biến nhất hiện nay có 3 cánh, trục nằm

Một trạm điện gió có thể bao gồm nhiều tua bin gió (có thể lên tới hơn 100
tua bin) được lắp đặt gần nhau và thường được thiết lập ở những nơi có có tốc
độ gió trung bình cao nhất từ 4,5m/s. Trạm điện gió ở gần thành phố Roscoe,
bang Texas, Mỹ được công ty E.ON của Đức xây dựng đưa vào vận hành từ
2009 có tới 627 tua bin gió do Mitsubishi, General Electric và Siemens chế tạo,
với tổng cơng suất gần 780MW và có diện tích khơng nhỏ hơn 400 km2.
Gió trong đất liền thường không ổn định (về tốc độ và về hướng) như gió ở
ngồi khơi. Việc xây dựng các trạm điện gió trong đất liền đỏi hỏi phải khảo sát
rất bài bản về tốc độ gió và hướng gió.
Việc khảo sát (đo) tốc độ và hướng gió cần được tiến hành ở độ cao từ trên
30m và trong thời gian 1÷2 năm. Thơng thường, các số liệu thống kê có sẵn về
tốc độ gió của các trạm khí tượng khơng dùng được cho việc thiết kế tua bin gió
vì các trạm khí tượng chỉ đo gió ở độ cao khoảng 10m và nằm trong các vùng
gần khu dân cư hay tại các sân bay.
Ở nhiều nước, các tua bin gió được thiết kế theo bản đồ gió do các cơ quan
nhà nước thành lập, hoặc được thiết lập bằng vốn ngân sách. Ví dụ, ở Canada
Bộ Phát triển và Bộ Tài nguyên đã thành lập tập bản đồ (atlat) gió và phần mềm
mơ phỏng về năng lượng gió (Wind Energy Simulation Toolkit- WEST) cho
phép khảo sát để lập phương án xây dựng tua bin gió ở bất kỳ vị trí nào. Chương
trình Phát triển của Liên hợp quốc từ năm 2005 đã thành lập bản đồ gió cho 19
nước đang phát triển.
Để giảm thiểu ảnh hưởng của các tua bin gió đến môi trường, người ta phải
đưa ra một số qui định cụ thể đối với các tua bin gió. Ví dụ, ở Anh, Đức, Đan
Mạch độ ồn tối đa của các tua bin gió nhỏ hơn 45 dB vào ban ngày và nhỏ hơn
35 dB vào ban đêm; khoảng cách tối thiểu đến các nhà có người ở là 300m,
trong thời kỳ chim di cư, các tua bin gió phải ngừng hoạt động, v.v...