Thiết kế và phân tích hệ thống điện mặt trời áp mái với bộ hòa lưới điện thông minh
- 115 trang
- file .pdf
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------
LUẬN VĂN THẠC SỸ
Thiết kế và phân tích hệ thống điện mặt trời
áp mái với bộ hòa lƣới điện thông minh
LÊ VĂN LỰC
[email protected]
Ngành Kỹ thuật điện
Giảng viên hƣớng dẫn : TS. Nguyễn Đức Tuyên ____________
Chữ kỹ của GVHD
Bộ môn: Kỹ thuật điện
Viện: Điện
Hà Nội, 2020
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn: Lê Văn Lực
Đề tài luận văn: Thiết kế và phân tích hệ thống điện mặt trời áp mái với
bộ hòa lƣới điện thông minh
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
Mã số SV: CB180106
Tác giả, Ngƣời hƣớng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác
giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 21 tháng 07
năm 2020 với các nội dung sau:
Chỉnh sửa lại các hình trong luận văn bị mờ không nhìn rõ.
Giải thích ý nghĩa và thành phần trong các công thức.
Trình bày rõ hơn hệ thống điều khiển của điện mặt trời kết nối lƣới điện.
Bổ sung và điều chỉnh lại các mẫu tài liệu tham khảo.
Soát lại các lỗi chính tả và cách trình bày.
Ngày 21 tháng 07 năm 2020
Giáo viên hƣớng dẫn Tác giả luận văn
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
ĐỀ TÀI LUẬN VĂN
Cơ sở: Các nguồn phát điện dùng năng lƣợng mặt trời đang đƣợc tích hợp vào hệ
thống điện Việt Nam với công suất đặt rất lớn, ảnh hƣởng nhiều đến vận hành kỹ
thuật hệ thống điện Việt Nam. Hiện nay, các nghiên cứu trong nƣớc về hệ thống
điện mặt trời chƣa nhiều và đủ để đáp ứng giải quyết các vấn đề kỹ thuật thực tế đặt
ra.
Mục đích: Luận văn sẽ góp phần nêu lên vai trò và thực tế phát triển của nguồn năng
lƣợng điện mặt trời tại Việt nam và các vấn đề kỹ thuật liên quan đến hệ thống năng
lƣợng mặt trời, nhằm giúp ích các các sinh viên, các nhà nghiên cứu, các chủ đầu tƣ,
nhà vận hành hệ thống điện.
Yêu cầu: Luận văn cần giải quyết đƣợc một số vấn đề cơ bản:
1. Thiết kế kỹ thuật cho hệ thống điện mặt trời áp mái.
2. Nêu rõ khái niệm và phân tích các chức năng bộ hòa lƣới thông minh.
3. Xác định rõ hiệu quả kinh tế trong việc lắp đặt hệ thống điện mặt trời thực tế.
4. Sử dụng mô phỏng để kiểm tra chức năng của bộ hòa lƣới thông minh.
Giáo viên hƣớng dẫn
Ký và ghi rõ họ tên
Lời cảm ơn
Lời đầu tiên, tôi muốn gửi lời cảm ơn đến nhóm nghiên cứu khoa học tại Viện Điện
thuộc Trƣờng đại học Bách Khoa Hà Nội đã cùng nghiên cứu và phát triển các ý
tƣởng đƣa ra để có thể áp dụng hữu ích vào thực tế. Những buổi họp, trao đổi hàng
tuần mang lại hiệu quả lớn đến công việc của tôi.
Tiếp theo, tôi xin cảm ơn tất cả thành viên trong lớp cao học 2018B và bạn Đỗ Văn
Long đã góp ý và đƣa ra những lời khuyên giá trị để tôi có thể hoàn thành phần mô
phỏng, đƣa ra nhận xét về ảnh hƣởng của công suất thực và công suất phản kháng
trong hệ thống điện mặt trời.
Thứ ba, tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn của mình với thầy cô tại Viện Điện đã chỉ
bảo cho tôi nhiều kiến thức chuyên môn về hệ thống điện để tôi có góc nhìn rõ hơn
về những nguồn năng lƣợng mới. Từ đó, tôi đã tập trung nghiên cứu và phân tích bài
toán kinh tế so sánh giá trị giữa việc đầu tƣ vào hệ thống điện mặt trời và gửi tiền
tiết kiệm lãi suất ngân hàng. Đồng thời hoàn thành chƣơng trình đào tạo cao học tại
Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội.
Cuối cùng cũng là quan trọng nhất, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo
TS. Nguyễn Đức Tuyên đã giảng dạy, và hƣớng dẫn nhiệt tình, giúp tôi định hƣớng
đề tài, hỗ trợ tối đa, giảng giải chi tiết để có thể hoàn thành bài luận văn trên đây
một cách tốt nhất.
Mặc dù đã nỗ lực hết mình, nhƣng do khả năng, kiến thức có hạn nên không thể
tránh đƣợc những sai sót trong lúc thực hiện luận văn này. Kính mong quý thầy cô
giúp đỡ và chỉ dẫn thêm để tôi có thể phát triển bài luận văn này, đƣa vào áp dụng
để mang lại nhiều đóng góp hơn trong thực tế.
Tóm tắt nội dung luận văn
Định hướng: Các nguồn năng lƣợng sơ cấp đang có nguy cơ bị suy kiệt do con
ngƣời khai thác ngày càng nhiều. Hầu nhƣ các quy trình chuyển nguồn năng lƣợng
sơ cấp sang điện năng thƣờng gây ô nhiễm môi trƣờng. Vì vậy, cần hƣớng đến
nguồn năng lƣợng sạch nhƣ năng lƣợng gió, năng lƣợng nƣớc, năng lƣợng mặt trời.
Nhƣng nguồn điện tạo ra từ năng lƣợng mặt trời có nhiều ƣu điểm hơn vì cấu tạo hệ
thống đơn giản, an toàn và chi phí đầu tƣ phù hợp.
Mục tiêu: Thiết kế và phân tích hệ thống điện mặt trời áp mái với bộ hòa lƣới thông
minh. Giới thiệu chi tiết các ứng dụng năng lƣợng mặt trời quy mô hộ gia đình, tòa
nhà cao tầng, hoặc các xí nghiệp doanh nghiệp. Luận văn đƣa ra một hƣớng nghiên
cứu mới để cải thiện chất lƣợng và tính năng của hệ thống khi đi sâu vào phân tích
thành phần bộ hòa lƣới thông minh trong hệ thống điện năng lƣợng mặt trời. Đồng
thời, luận văn cũng nêu lên đóng góp về hiệu quả kinh tế trong việc lắp đặt hệ thống
điện mặt trời thực tế.
Phương pháp: Đây là một dự án tƣơng đối chi tiết với những phân tích chuyên sâu
và kết quả mô phỏng rõ ràng giúp nhận ra lợi ích của việc sử dụng năng lƣợng mặt
trời. Việc điều khiển công suất phản kháng và công suất thực làm ổn định chất
lƣợng điện năng và đóng góp lớn đến hiệu quả của vận hành hệ thống điện. Thông
qua bài toán so sánh giữa đầu tƣ hệ thống điện mặt mặt trời và gửi tiền tiết kiệm lãi
suất ngân hàng để thấy rõ hơn tính hiệu quả kinh tế của một dự án đầu tƣ điện mặt
trời áp mái.
Hạn chế: Chƣa thể lập trình mô phỏng đối với một bộ hòa lƣới thông minh với đầy
đủ các chức năng đã đề xuất. Đối với định hƣớng phát triển mở rộng sau này sẽ
hƣớng tới việc cải thiện điện áp và sóng hài của bộ hòa lƣới thông minh.
Kết luận: Luận văn có thể đƣợc áp dụng cho các hộ gia đình để nâng cao tính hiệu
quả kinh tế trong đầu tƣ và khai thác điện mặt trời. Các mô hình hệ thống điện mặt
trời đƣợc phân tích và mô phỏng có thể triển khai thực hiện trong trƣờng Đại học,
giúp cho sinh viên thực hiện thí nghiệm trên các mô hình thực tế.
HỌC VIÊN
Ký và ghi rõ họ tên
MỤC LỤC
ĐỀ TÀI LUẬN VĂN ....................................................................................................
Lời cảm ơn ....................................................................................................................
Tóm tắt nội dung luận văn ............................................................................................
DANH MỤC VIẾT TẮT ..............................................................................................
DANH MỤC BẢNG .....................................................................................................
DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................................
PHẦN NHẬN XÉT TÓM TẮT CỦA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN .................................
NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ CỦA NGƢỜI CHẤM PHẢN BIỆN ...................................
CHƢƠNG 1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ................................................................ 1
1.1 Năng lƣợng tái tạo - Điện mặt trời ........................................................................ 1
1.1.1 Lý do lựa chọn đồ án .................................................................................. 1
1.1.2 Mục đích ..................................................................................................... 2
1.1.3 Đối tƣợng .................................................................................................... 2
1.1.4 Phạm vi ....................................................................................................... 2
1.2 Phƣơng pháp tận dụng năng lƣợng mặt trời.......................................................... 2
1.2.1 Sử dụng năng lƣợng mặt trời phân tách Hydro từ nƣớc ............................. 3
1.2.2 Thiết bị sấy khô dùng năng lƣợng mặt trời................................................. 3
1.2.3 Các phƣơng tiện, hệ thống đèn giao thông dùng năng lƣợng mặt trời ....... 4
1.2.4 Bếp nấu dùng năng lƣợng mặt trời ............................................................. 4
1.2.5 Quá trình vô trùng nƣớc bằng năng lƣợng mặt trời .................................... 5
1.2.6 Thiết bị đun nƣớc nóng bằng năng lƣợng mặt trời ..................................... 6
1.2.7 Hệ thống cấp điện cho tòa nhà sử dụng năng lƣợng mặt trời ..................... 6
1.3. Các nghiên cứu liên quan đến luận văn trong và ngoài nƣớc .............................. 7
1.4 Kết luận ................................................................................................................ 8
CHƢƠNG 2. CẤU TRÚC CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI VÀ SỰ
CẢI THIỆN HỆ THỐNG KHI SỬ DỤNG BỘ HÒA LƢỚI THÔNG MINH ......... 10
2.1 Các thành phần của hệ thống điện năng lƣợng mặt trời...................................... 10
2.1.1 Tấm Pin mặt trời và thiết bị phụ trợ ......................................................... 10
2.1.2 Xác định dung lƣợng bình ắc quy............................................................. 11
2.1.3 Bộ hòa lƣới thông minh ............................................................................ 11
2.1.4 Khung giá đỡ, cáp và thiết bị chống sét.................................................... 13
2.1.5 Công tơ điện 2 chiều ................................................................................. 16
2.2 Cách thức hoạt động............................................................................................ 16
2.2.1 Hệ thống điện mặt trời độc lập ngoài lƣới điện ........................................ 16
2.2.2 Hệ thống điện mặt trời nối với lƣới điện không dự trữ ............................... 17
2.2.3 Hệ thống điện mặt trời áp mái nối lƣới điện quốc gia có ắc quy dự trữ ... 18
2.3 Các giải pháp cải thiện chất lƣợng hệ thống điện mặt trời ................................. 19
2.3.1 Đối với tấm pin mặt trời .......................................................................... 19
2.3.2 Đối với bộ hòa lƣới thông minh ............................................................... 23
2.3.3 Nâng cao tiêu chuẩn bảo vệ khi hệ thống điện mặt trời gặp sự cố ........... 36
CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ VÀ SO SÁNH HIỆU QUẢ VỀ MẶT KINH TẾ HỆ
THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI ÁP MÁI VỚI BỘ HÒA LƢỚI THÔNG MINH ......... 38
3.1 Phƣơng án thiết kế hệ thống điện năng lƣợng mặt trời áp mái .......................... 38
3.1.1 Tiêu chuẩn nối lƣới đối với điện mặt trời lắp mái .................................... 38
3.1.2 Quy trình tính toán vị trí và lắp đặt hệ thống............................................ 42
3.1.3 Tính tổng năng lƣợng dàn Pin nhận đƣợc: ............................................... 44
3.1.4 Tính tổng lƣợng điện tiêu thụ trung bình đối với một hộ gia đình ........... 45
3.1.5 Tính tổng lƣợng điện cần cung cấp đối với một hộ gia đình .................... 45
3.1.6 Tính toán số lƣợng tấm pin mặt trời cần sử dụng ..................................... 46
3.1.7 Tính toán số lƣợng ắc quy cần sử dụng .................................................... 47
3.1.8 Tính toán lựa chọn bộ hòa lƣới tích hợp điều khiển sạc........................... 48
3.1.9 Quy trình thủ tục bán điện mặt trời trên mái nhà cho EVN ..................... 49
3.2 Bản vẽ thiết kế hệ thống điện mặt trời áp mái với bộ hòa lƣới thông minh ...... 51
3.3 Mô tả hoạt động chi tiết của hệ thống khi hoàn thành lắp đặt và đấu lƣới ........ 57
3.4 Bài toán kinh tế khi đầu tƣ vào hệ thống điện mặt trời ...................................... 58
3.4.1 Chi phí lắp đặt hệ thống điện mặt trời ...................................................... 58
3.4.2 Tổng tiền nhận đƣợc từ hệ thống năng lƣợng mặt trời ............................. 59
3.4.3 Bài toán kinh tế gửi tiền tiết kiệm lãi suất kép tại ngân hàng................... 60
3.4.5 Kết luận hiệu quả kinh tế của hệ thống điện mặt trời ............................... 63
CHƢƠNG 4. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI ĐIỀU KHIỂN CÔNG
SUẤT P, Q BẰNG PHẦN MỀM PSCAD ............................................................... 65
4.1 Thiết kế hệ thống điện mặt trời dựa trên phần mềm PSCAD ............................. 65
4.2 Cung cấp công suất phản kháng .......................................................................... 66
4.2.1 Nhu cầu bù công suất phản kháng ............................................................ 67
4.2.2 Phƣơng pháp bù công suất phản kháng .................................................... 67
4.2.3 Điều chỉnh cho hệ thông điện mặt trời ..................................................... 68
4.2.4 Tầm quan trọng và định hƣớng áp dụng ................................................... 72
4.3 Điều khiển công suất thực&công suất phản kháng với MPPT cho bộ hòa lƣới
quang điện kết nối lƣới ba pha .................................................................................. 72
4.3.1 Kiểm soát công suất thực và phản khảng ................................................. 73
4.3.2 Kết quả mô phỏng kiểm soát công suất phản kháng và công suất thực khi
hệ thống làm việc ổn định .................................................................................. 75
4.4 Điều khiển công suất thực và công suất phản kháng trong hệ thống điện mặt trời
nối lƣới khi xảy ra sự cố ngắn mạch ......................................................................... 79
4.4.1 Hệ thống điện mặt trời ba pha nối lƣới ..................................................... 79
4.4.2 Điều khiển công suất thực và công suất phản kháng khi hệ thống gặp sự
cố ngắn mạch ..................................................................................................... 80
4.4.3 Kết quả mô phỏng kiểm soát công suất phản kháng và công suất thực khi
hệ thống gặp sự cố ngắn mạch. .......................................................................... 80
4.5 Kết luận chƣơng 4 ............................................................................................... 83
CHƢƠNG 5. KẾT LUẬN......................................................................................... 85
5.1 Kết quả và kiến nghị ........................................................................................... 85
5.2 Hạn chế và định hƣớng mở rộng ......................................................................... 87
DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ĐÃ
CÔNG BỐ ................................................................................................................. 88
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 89
PHỤ LỤC .................................................................................................................. 95
DANH MỤC VIẾT TẮT
VAR Volt ampere reactive Đơn vị đo phản kháng
AC Alternating current Dòng điện một chiều
DC Direct current Dòng điện xoay chiều
PV Photovoltaic Pin quang điện
DER Distributed energy resources Tài nguyên năng lƣợng phân tán
Institute of Electrical and
IEEE Viện Kỹ thuật Điện và Điện tử
Electronics Engineers
WEIL Western Electric Industry Leaders Lãnh đạo ngành điện Tây Âu
Viện năng lƣợng tự nhiên
HNEI Hawaii Natural Energy Institute
Hawaii
MPP Max Power Point Điểm công suất tối đa
Thuật toán bám điểm công suất
MPPT Maximum Power Point Tracker
tối đa
EPRI Electric Power Research Institute Viện nghiên cứu điện
DTE Detroit Edison
DOE Departmant of Energy Bộ năng lƣợng Hoa Kỳ
National Institute of Standards and
NIST Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ
Technology
DNP3 Distributed network protocol, ver 3 Biên bản mạng phân tán (bản 3)
International Electrotechnical
IEC Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế
Commission
Hồ sơ năng lƣợng thông minh
SEP2 Smart Energy Profile 2.0
2.0
Microsystems and Engineering Các hệ thống vi mô và ứng dụng
MESA
Sciences Applications khoa học kỹ thuật
PAP Priority Action Plan Kế hoạch hành động ƣu tiên
TC57 Technical Committee 57 Ban kỹ thuật 57
WG17 Working Group 17 Tổ công tác 17
PLL Phase Lock Loop Giai đoạn khóa vòng
Secure Supercomputing
SSN Mạng siêu máy tính an toàn
Networking
SEPA Solar Electric Power Association Hiệp hội điện mặt trời
CTĐL/ĐL Công ty điện lực / Điện Lực
IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor Bán dẫn lƣỡng cực cách điện
SPWM Sinusoidal Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung hình sin
RMS Rotating Mass Storage Lƣu trữ hàng loạt
LVRT Low Voltage Ride Through Chạy qua điện áp thấp
FRT Fault Ride Through Chạy qua lỗi
DG Distributed Generation Hệ truyền tải
AD Autonomy Day Số ngày dự phòng điện ắc quy
DOD Deep of discharge level Mức xả sâu
PA Panels Số tấm pin sử dụng
BC Battery capacity Dung lƣợng ắc quy dự trữ
E Efficiency Hiệu suất bình ắc quy
PV DG PhotovoltaicDistributed GenerationHệ thống truyền tải quang năng
Tiêu chuẩn cho Bộ hòa lƣới, Bộ
Standard for Inverters, Converters,
chuyển đổi, Bộ điều khiển và.
UL 1741 Controllers and. Interconnection
Thiết bị hệ thống kết nối để sử
SA System Equipment for Use with
dụng với tài nguyên năng lƣợng
Distributed Energy Resources
phân tán
P&O Perturb và Observe phƣơng pháp P&O
IC Increases Current Phƣơng pháp dẫn điện tăng dần
AWG American Wire Gauge Loại dây tiêu chuẩn Mỹ
FV Forward Voltage Điện áp chuyển tiếp
TFSC Thin Film Solar Cell Pin mặt trời màng mỏng
A-Si Amorphous Silicon Silic vô định hình
CdTe Cadmium Telluride
CIS/CIGS Copper Indium Gallium Selenide
OPC Organic Photovoltaic Cells Tế bào quang điện hữu cơ
TT-BCT Thủ Tƣớng – Bộ Công Thƣơng
QĐ-TTg Quyết định – Thủ Tƣớng
Autonome Thời gian dự phòng
DANH MỤC BẢNG
Bảng 2. 1 Tính toán khái quát về tấm pin ................................................................. 21
Bảng 2. 2 Hiệu suất của ba công nghệ PV phổ biến ................................................. 23
Bảng 2. 3 Logic chuyển đổi SPWM [48] .................................................................. 31
Bảng 3. 1 So sánh tiêu chuẩn tần số Việt Nam với quốc tế……………………….......39
Bảng 3. 2 Tiêu chuẩn định lƣợng nhấp nháy quốc tế................................................ 40
Bảng 3. 3 Tiêu chuẩn mất cân bằng pha quốc tế....................................................... 40
Bảng 3. 4 Tiêu chuẩn thiết bị bộ hòa lƣới thông minh [66] ...................................... 41
Bảng 3. 5 Minh họa về thông số sử dụng điện của một hộ gia đình. ........................ 45
Bảng 3. 6 Tính số W-hour các tấm pin mặt trời phải cung cấp cho toàn tải [69] ..... 45
Bảng 3. 7 Thông số kỹ thuật tấm pin mặt trời 72 Cell – 330W hãng KingTEK [72]46
Bảng 3. 8 Tổng chi phí lắp đặt sử dụng hệ thống điện mặt trời ................................ 58
Bảng 3. 9 Bảng giá bán điện theo giờ dành cho nhóm hộ gia đình năm 2019 [74] .. 59
Bảng 3. 10 Bảng thống kê tiền điện phải trả cho EVN theo trung bình tháng ......... 59
Bảng 3. 11 Thống kê phụ tải của hộ gia đình ........................................................... 61
Bảng 3. 12 Tổng chỉ phí cho hệ thống điện mặt trời với diện tích mặt bằng 245 m2 62
Bảng 4. 1 Thông số kỹ thuật của hệ thống………………………………………….81
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. 1 Hình ảnh về điện mặt trời áp mái ................................................................ 2
Hình 1. 2 Hình ảnh mô hình cung cấp nguyên liệu Hydro bằng năng lƣợng mặt trời 3
Hình 1. 3 Hình ảnh mô hình thiết bị sấy khô bằng năng lƣợng mặt trời. ................... 4
Hình 1. 4 Ứng dụng năng lƣợng mặt trời vào thiết bị kỹ thuật ................................... 4
Hình 1. 5 Hình ảnh bếp nấu dùng năng lƣợng mặt trời. ............................................. 5
Hình 1. 6 Hình ảnh mô phỏng quá trình vô trùng bằng năng lƣợng mặt trời ............. 6
Hình 1. 7 Hình ảnh thiết bị đun nƣớc nóng bằng NLMT. .......................................... 6
Hình 1. 8 Hình ảnh hệ thống điện mặt trời áp mái ...................................................... 7
Hình 2. 1 Thành phần của hệ thống điện mặt trời…………………………………..10
Hình 2. 2 Kết cấu khung giá đỡ tấm pin ................................................................... 14
Hình 2. 3 Mô hình hệ thống điện mặt trời độc lập .................................................... 16
Hình 2. 4 Mô hình hệ thống điện mặt trời hòa lƣới không dự trữ ............................ 17
Hình 2. 5 Mô hình hệ thống điện mặt trời hòa lƣới có dự trữ ................................... 18
Hình 2. 6 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Pin mặt trời [39] ............................. 19
Hình 2. 7 Các tình huống thực tế xảy ra khi sử dụng tấm Pin mặt trời .................... 20
Hình 2. 8 Hệ thống điều chỉnh bỏ qua phần diode bị che phủ .................................. 21
Hình 2. 9 Tấm pin mặt trời đơn tinh thể (pin mono) ................................................ 22
Hình 2. 10 Tấm pin mặt trời đa tinh thể (pin poly) ................................................... 22
Hình 2. 11 Tấm pin mặt trời màng mỏng (Thin Film) .............................................. 23
Hình 2. 12 Cấu trúc liên kết hệ thống bộ hòa lƣới thông minh PV .......................... 25
Hình 2. 13 Cấu trúc liên kết ba pha của Inverter ...................................................... 26
Hình 2. 14 Biểu đồ tác động của công suất phản kháng [43] ................................... 27
Hình 2. 15 Thuật toán MPPT .................................................................................... 28
Hình 2. 16 a Sơ đồ cấu trúc của thuật toán IC [46] [47]………………………….….29
Hình 2. 16 b Sơ đồ cấu trúc của thuật toán P & O [46] [47] ................ …………...29
Hình 2. 17 a SPWM Tham chiếu dạng sóng hình sin và tam giác (ma = 1)………...30
Hình 2. 17 b SPWM Tham khảo dạng sóng hình sin và tam giác (Phóng to) .......... 31
Hình 2. 18 a Dạng sóng điện áp không lọc và đƣợc lọc (Ba chu kỳ)………….32
Hình 2. 18 b Dạng sóng điện áp không lọc và đƣợc lọc (Nửa chu kỳ)........... 32
Hình 2. 19 Sự phát triển tiêu chuẩn kết nối DER theo các năm. [43]……………….33
Hình 2. 20 Chức năng của bộ hòa lƣới thông minh [57]………………...……………34
Hình 2. 21 Micro Inverter………………………………………………………….........35
Hình 2. 22 Inverter chuỗi của Huawei ...................................................................... 36
Hình 2. 23 Central Inverter kết hợp với máy biến áp và bộ đóng ngắt ..................... 36
Hình 2. 24 Thị phần các nhà sản xuất inverter năm 2019 [61] ................................. 36
Hình 2. 25 Các giải pháp chống sét hệ thống điện mặt trời [63] .............................. 37
Hình 3. 1 Bản đồ bức xạ mặt trời trên mái………………………………………………43
Hình 3. 2 Các loại công nghệ lắp đặt dàn Pin năng lƣơng mặt trời .......................... 44
Hình 3. 3 Góc nghiêng lắp đặt tấm pin so với phƣơng ngang 15°[68] ..................... 45
Hình 3. 4 Tính toán sản lƣợng điện theo mô phỏng phần mềm PVsyst [68] ............ 47
Hình 3. 5 Báo cáo về sự phủ bóng lên công trình điện mặt trời [68]........................ 47
Hình 3. 6a Quy trình đăng ký kiểm tra và mua bán điện giai đoạn 1 [73]…………..50
Hình 3. 6b Quy trình đăng ký kiểm tra và mua bán điện giai đoạn 2 [73] ............... 50
Hình 3. 7 Chi tiết giàn khung hệ thống điện mặt trời nối lƣới……………………...51
Hình 3. 8 Nguyên lý đấu nối các tấm pin………………………………………......52
Hình 3. 9 Bản vẽ bố trí mặt bằng hệ thống điện mặt trời…………………………. 53
Hình 3. 10 Bản vẽ khung hệ thống điện mặt trời………………………………….. 54
Hình 3. 11 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo hệ thống……………………………………….....55
Hình 3. 12 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điện mặt trời .................................................. 56
Hình 3. 13 Sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ thống điện mặt trời ................................... 57
Hình 4. 1 Giới thiệu về phần mềm PSCAD…………………………………………….65
Hình 4. 2 Chỉ có công có ích khi dòng điện và điện áp cùng pha ............................. 66
Hình 4. 3 Chỉ có công suất phản kháng khi dòng điện và điện áp dịch pha 90o ....... 66
Hình 4. 4 Dòng điện và điện áp đƣợc dịch pha và do đó làm giảm công có ích ...... 67
Hình 4. 5 Công suất biểu kiến đƣợc biểu diễn dƣới dạng hình học theo công suất
thực và công suất khản kháng ................................................................................... 67
Hình 4. 6 Tụ điện cố định và bộ điều chỉnh .............................................................. 69
Hình 4. 7 Sơ đồ nguyên lý của máy đồng bộ ............................................................ 69
Hình 4. 8 Sơ đồ bản vẽ–SVC .................................................................................... 70
Hình 4. 9 Sơ đồ nguyên lý và mạch tƣơng đƣơng trên mỗi pha– STATCOM [81] . 70
Hình 4. 10 Đồ thị thể hiện (a) Hoạt động điện dung, (b) hoạt động quy nạp, (c)
Không có chế độ tải (Vi = Vs) [81] ........................................................................... 71
Hình 4. 11 Đặc điểm V-I của STATCOM ................................................................ 71
Hình 4. 12 Hình minh họa cho biến đổi Clarke và Park ........................................... 73
Hình 4. 13 Sơ đồ khối sơ đồ của PLL ....................................................................... 75
Hình 4. 14 Mô hình chi tiết hệ thống điều khiển ...................................................... 75
Hình 4. 15 Sơ đồ mô phỏng hệ thống điện mặt trời áp mái nối lƣới ........................ 75
Hình 4. 16 Điện áp và dòng điện đầu ra mảng PV.................................................... 76
Hình 4. 17 Điện áp và dòng điện của bộ chuyển đổi tăng cƣờng DC-DC ................ 76
Hình 4. 18 Công suất thực và phản ứng trong trƣờng hợp 1 .................................... 76
Hình 4. 19 Điện áp đầu ra của biến tần trong trƣờng hợp 1...................................... 77
Hình 4. 20 Dòng điện đầu ra của biến tần trong trƣờng hợp 1 ................................. 77
Hình 4. 21 Tổng méo hài hiện tại trong trƣờng hợp 1 ............................................. 78
Hình 4. 22 Công suất thực và phản kháng khi thay đổi bức xạ ................................ 78
Hình 4. 23 Công suất thực và phản kháng khi tăng giảm công suất phản kháng ..... 79
Hình 4. 24 Cấu trúc của hệ thống kết nối lƣới PV ba pha ........................................ 80
Hình 4. 25. Mô phỏng hiện tƣợng ngắn mạch 3 pha chạm nhau .............................. 81
Hình 4. 26. Điện áp hiệu dụng của lƣới khi xảy ra sự cố.......................................... 81
Hình 4. 27 Công suất tác dụng của PV khi xảy ra sự cố ........................................... 82
Hình 4. 28 Công suất phản kháng của PV khi xảy ra sự cố ...................................... 82
Hình 4. 29 Dạng sóng điện áp khi xảy ra sự cố sụt áp ở mức 0.4 pu........................ 83
Hình 4. 30 Dạng sóng dòng điện khi xảy ra sự cố sụt áp ở mức 0.4pu .................... 83
PHẦN NHẬN XÉT TÓM TẮT CỦA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN
1. Tinh thần, thái độ của sinh viên trong quá trình làm đề tài tốt nghiệp
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
2. Đánh giá chất lƣợng của Đ.T.T.N (so với nội dung yêu cầu đã đề ra trong nhiệm
vụ Đ.T.T.N, trên các mặt lý luận thực tiễn, tính toán giá trị sử dụng, chất lƣợng các
bản vẽ….)
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
3. Cho điểm của cán bộ hƣớng dẫn
(Điểm ghi bằng số và chữ )
Ngày ………tháng……….năm 2020
Cán bộ hƣớng dẫn chính
( Ký và ghi rõ họ tên )
NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ CỦA NGƢỜI CHẤM PHẢN BIỆN
ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP
1. Đánh giá chất lƣợng đề tài tốt nghiệp về các mặt thu nhập và phân tích số liệu ban
đầu, cơ sở lý luận chọn phƣơng án tối ƣu, cách tính toán chất lƣợng thuyết minh
và bản vẽ, giá trị lý luận và thực tiễn đề tài.
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
………………………………………
2. Cho điểm của cán bộ chấm phản biện
(Điểm ghi bằng số và chữ )
Hà Nội, ngày …… tháng …… năm 2020
Ngƣời chấm phản biện
( Ký và ghi rõ họ tên )
CHƢƠNG 1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
1.1 Năng lƣợng tái tạo - Điện mặt trời
1.1.1 Lý do lựa chọn đồ án
Một trong những yếu tố quan trọng để hỗ trợ nhân loại phát triển mạnh mẽ là năng
lƣợng. Cuộc khủng hoảng năng lƣợng trở nên minh bạch vào cuối năm 1900. Điều
đó thúc đẩy tìm kiếm các nguồn năng lƣợng bổ sung để đáp ứng nhu cầu năng lƣợng
ngày càng tăng. [1] Một lựa chọn là tăng khai thác các nguồn năng lƣợng hiện đang
sử dụng nhƣ hạt nhân, nhiên liệu hóa thạch,v.v… Và cách khác là khám phá các
nguồn năng lƣợng tái tạo mới. Nhiều nguồn năng lƣợng tái tạo khác nhau đã nổi lên
nhƣ là giải pháp khả thi và mỗi một trong số chúng có các thuộc tính tích cực và tiêu
cực riêng. Nhìn chung, các nguồn năng lƣợng tái tạo đều miễn phí và nên đƣợc đƣa
vào tận dụng để không bị lãng phí. Những yếu tố này là động lực chính để các quốc
gia bắt đầu đƣa năng lƣợng tái tạo vào danh mục năng lƣợng cần đƣợc phát triển
mạnh mẽ.
Nắm bắt đƣợc tầm quan trọng của vấn đề khi phải đối mặt với bài toán phức tạp và
đa mục tiêu, một mặt cần đáp ứng nhu cầu tăng cao để phát triển kinh tế - xã hội,
mặt khác cần đảm bảo tuân thủ các cam kết quốc tế về phát triển bền vững. Chính
phủ đã có những động thái hết sức tích cực nhƣ chỉ đạo đẩy mạnh hoạt động hợp tác
quốc tế ứng dụng các công nghệ và chuyển giao công nghệ năng lƣợng mới một
cách đồng bộ của các nhà quản lý, các doanh nghiệp và nhà khoa học, cùng với đó là
sự hợp tác, hỗ trợ chuyển giao công nghệ từ các quốc gia phát triển nhƣ Đức, Nhật
Bản,... Từ đó thiết lập khung chính hỗ trợ các nguồn năng lƣợng mới, tái tạo, đặc
biệt là điện mặt trời và điện gió.
Tính đến cuối tháng 7/2018, cả nƣớc đã có 748 dự án điện mặt trới áp mái đƣợc
triển khai với tổng công suất là 11,55 MWp. [2] Đây là một thị trƣờng đƣợc đánh
giá nhiều tiềm năng và hiện giá cả cũng rất hợp lý, phù hợp với khả năng đầu tƣ của
nhiều gia đình. Thống kê riêng tại Tp. Hồ Chí Minh cho thấy, có tới gần 277.000
mái nhà tại đây đủ điều kiện để lắp đặt điện mặt trời. Tính chung, tiềm năng của thị
trƣờng hiện tại lên đến 6.000 MWp. Nếu phát huy tối đa thị trƣờng điện mặt trời áp
mái, Việt Nam sẽ có một nguồn cung điện năng rất lớn và chủ động đƣợc nguồn
điện, đó đƣợc xem là nền tảng để phát triển kinh tế đất nƣớc hiện nay. Với chính
sách của Nhà nƣớc khuyến khích phát triển nguồn điện từ năng lƣợng mặt trời, Chính
phủ đã ban hành Quyết định 11/2017/QĐ-TTg ngày 11/4/2017 về cơ chế khuyến
khích phát triển các dự án điện mặt trời tại Việt Nam và Quyết định số
02/2019/QĐTTg ngày 8/1/2019 sửa đổi bổ sung một số điều của Quyết định
11/2017/QĐ-TTg. [2] Đã có rất nhiều dự án nguồn điện mặt trời đƣợc triển khai, đầu
tƣ xây dựng. Trong đó, điện mặt trời áp mái là một hình thức mới, ƣu việt, có thể phát
triển vƣợt bậc trong tƣơng lai. Điện mặt trời đƣợc lắp đặt với quy mô nhỏ trên mái nhà
dân, mái tòa nhà thƣơng mại, mái công xƣởng, nhà máy,... với quy mô một vài kW tới
hàng trăm MW.
1
Ưu điểm của điện mặt trời áp mái: Không tốn diện tích đất. Giúp tăng cƣờng chống
nóng hiệu quả cho các công trình. Có quy mô nhỏ, lắp đặt phân tán nên đƣợc đấu
nối vào lƣới điện hạ áp và trung áp hiện hữu, không cần đầu tƣ thêm hệ thống lƣới
điện truyền tải. Đƣợc lắp đặt nhiều ở các mái nhà trong thành phố, khu công nghiệp
nên có tác dụng làm giảm quá tải lƣới điện truyền tải từ các nguồn điện truyền
thống, thƣờng đặt ở xa các trung tâm đông dân.
Hình 1. 1 Hình ảnh về điện mặt trời áp mái
1.1.2 Mục đích
Đánh giá đƣợc tiềm năng ứng dụng điện mặt trời tại Việt Nam.
Thiết kế hệ thống điện mặt trời áp mái với bộ hòa lƣới thông minh tại Quận 9, Tp.
Hồ Chí Minh.
Phân tích đƣợc chức năng, nhiệm vụ và hiệu quả của bộ hòa lƣới thông minh trong
hệ thống điện mặt trời áp mái bằng phần mềm PSCAD.
1.1.3 Đối tƣợng
Mô hình hệ thống điện mặt trời áp mái với bộ hòa lƣới thông minh tại Quận 9, Tp.
Hồ Chí Minh.
1.1.4 Phạm vi
Tìm hiểu, tính toán, thiết kế, xác định số lƣợng và vị trí lắp đặt các thiết bị (tấm pin
mặt trời, bộ hòa lƣới thông minh, bình ắc quy, đồng hồ đo …), lựa chọn thiết bị,
thiết kế các giá và khung đỡ cho các tấm pin mặt trời dựa trên phần mềm PVsyst.
Khảo sát, tính toán và đƣa ra đƣợc các phƣơng án nối lƣới hệ quả cho hệ thống điện
mặt trời.
Sử dụng phần mềm PSCAD để mô phỏng sơ đồ đấu nối và chạy ra đƣợc thông số kỹ
thuật cần thiết, cũng nhƣ nhìn nhận đƣợc trạng thái hoạt động của hệ thống.
Tính hiệu quả kinh tế: Đƣa ra những bài toán so sánh hiệu quả đầu tƣ vào hệ thống
điện mặt trời với gửi tiền tiết kiệm
1.2 Phƣơng pháp tận dụng năng lƣợng mặt trời
Năng lƣợng mặt trời, bức xạ ánh sáng và nhiệt từ mặt trời đã đƣợc con ngƣời khai
thác ngay từ thời cổ đại. Bức xạ mặt trời, cùng với tài nguyên thứ cấp của năng
2
lƣợng mặt trời nhƣ sức gió, sức sóng, sức nƣớc và sinh khối làm thành hầu hết năng
lƣợng tái tạo có sẵn trên Trái Đất. Chỉ một phần rất nhỏ của năng lƣợng mặt trời có
sẵn đƣợc sử dụng.
Điện mặt trời nghĩa là phát điện dựa trên động cơ nhiệt và pin quang điện. Ngày
nay, con ngƣời đã sử dụng loại điện năng này để ứng dụng trong nhiều lĩnh vực nhƣ
sƣởi ấm không gian và làm mát thông qua kiến trúc năng lƣợng mặt trời, chƣng cất
nƣớc uống và khử trùng, chiếu sáng bằng ánh sáng ban ngày, bình nƣớc nóng năng
lƣợng mặt trời, nấu ăn bằng năng lƣợng mặt trời. Để thu năng lƣợng mặt trời, cách
phổ biến nhất là sử dụng tấm năng lƣợng mặt trời.
1.2.1 Sử dụng năng lƣợng mặt trời phân tách Hydro từ nƣớc
Hiện tƣợng điện phân có thể phân tách phân tử nƣớc thành các nguyên tử hydro và
oxy, sau đó hydro có thể đƣợc sử dụng làm nhiên liệu. Hiện tƣợng điện phân đƣợc
thực hiện bởi các tế bào năng lƣợng mặt trời sẽ không thải khí CO2 làm ô nhiễm môi
trƣờng.
Tác giả Trần Mạnh Trí đã có công trình nghiên cứu về ―Vai trò của xúc tác trong
cuộc cách mạng năng lƣợng ở thế kỷ 21: Chuyển nền kinh tế hóa thạch sang nền
kinh tế Hydro nhờ năng lƣợng mặt trời‖ [3]. Tác giả Lê Thanh Sơn đã trình bày về
vấn đề trên trong bài báo với tiêu đề ―Năng lƣợng hydro – chìa khóa hóa giải những
thách thức của thế kỷ’’ [4]. Các công trình nghiên cứu trên đã thể hiện đƣợc tầm
quan trọng và phƣơng pháp áp dụng của việc sử dụng năng lƣợng mặt trời để phân
tách Hydro từ nƣớc. Tuy nhiên, hiệu suất vẫn chƣa đƣợc tối ƣu để đảm bảo tính
cạnh trạnh với các nguồn năng lƣợng hóa thạch hiện tại.
Hình 1. 2 Hình ảnh mô hình cung cấp nguyên liệu Hydro bằng năng lượng mặt trời
1.2.2 Thiết bị sấy khô dùng năng lƣợng mặt trời
Trƣớc đây, năng lƣợng mặt trời đƣợc áp dụng khá phổ biến trong lĩnh vực nông
nghiệp để sấy các sản phẩm nhƣ ngũ cốc, thực phẩm… nhằm giảm tỉ lệ hao hụt và
tăng chất lƣợng sản phẩm. Ngoài mục đích để sấy nông sản, năng lƣợng mặt trời còn
đƣợc dùng để sấy các loại vật liệu nhƣ gỗ.
Công trình nghiên cứu ―Thiết bị sấy nông sản bằng năng lƣợng mặt trời tại Việt
Nam’’ [5] của tác giả Nguyễn Xuân Tùng, Đinh Vƣơng Hùng, Đỗ Minh Cƣờng,
3
Phan Hòa, 2009. ―Nghiên cứu quá trình sấy thóc bằng thiết bị sấy năng lƣợng mặt
trời kiểu đối lƣu tự nhiên‖. [6]. Các công trình nghiên cứu khoa học về thiết bị sấy
khô dùng năng lƣợng mặt trời có tính ứng dụng cao. Tuy nhiên, vẫn chƣa đƣa ra
đƣợc phƣơng án kéo dài thời gian sấy vào cuối ngày, cần nghiên cứu phát triển bộ
phận tích nhiệt cho thiết bị sấy.
Hình 1. 3 Hình ảnh mô hình thiết bị sấy khô bằng năng lượng mặt trời.
1.2.3 Các phƣơng tiện, hệ thống đèn giao thông dùng năng lƣợng mặt trời
Đèn tín hiệu giao thông đƣợc lƣu sử dụng năng lƣợng mặt trời có ƣu điểm là không
cần sử dụng dây điện và khá linh hoạt, có thể tiết kiệm khá nhiều tiền điện khi hoạt
động liên tục trong thời gian dài. Chúng đƣợc thiết kế với một số bóng đèn LED
thân thiện với môi trƣờng và không cần phải sạc lại trong một thời gian khá lâu.
Trong trƣờng hợp mất điện lƣới thì những đèn tín hiệu giao thông này vẫn tiếp tục
hoạt động.
Chiếc máy bay mang tên The Solar Impulse với 12.000 tế bào quang điện trên cánh
là một mẫu thử của máy bay năng lƣợng mặt trời, chiếc máy bay này đã có chuyến
bay vòng quanh thế giới vào năm 2012. Trƣớc đó vào tháng 4/2012, The Solar
Impulse đã bay trên vùng trời Switzerland trong 87 phút ở độ cao 1.200 mét.
Hình 1. 4 Ứng dụng năng lượng mặt trời vào thiết bị kỹ thuật
1.2.4 Bếp nấu dùng năng lƣợng mặt trời
Bếp năng lƣợng mặt trời đƣợc ứng dụng rất rộng rãi ở các nƣớc nhiều nắng và nhiệt
độ cao nhƣ các nƣớc ở Châu Phi. Ở Việt Nam, việc bếp năng lƣợng mặt trời cũng đã
4
đƣợc sử dụng khá phổ biến. Năm 2000, Trung tâm Nghiên cứu thiết bị áp lực và
năng lƣợng mới – Đại học Đà Nẵng đã phối hợp với các tổ chức từ thiện Hà Lan
triển khai dự án 30.000 USD đƣa bếp năng lƣợng mặt trời vào sử dụng ở các vùng
nông thôn ở tỉnh Quảng Nam , Quảng Ngãi , dự án đã phát triển rất tốt và ngày càng
đƣợc đông đảo nhân dân ủng hộ. Trong năm 2002, Trung tâm dự kiến sẽ đƣa 750
bếp vào sử dụng ở các xã huyện Núi Thành và triển khai ứng dụng ở các khu ngƣ
dân ven biển để họ có thể nấu nƣớc, cơm và thức ăn khi ra khơi bằng năng lƣợng
mặt trời.
Tác giả Hoàng Dƣơng Hùng đã trình bày hiệu quả kinh tế và tính ứng dụng của việc
áp dụng năng lƣợng mặt trời vào bếp nấu thông qua công trình nghiên cứu ―Sử dụng
năng lƣợng mặt trời để nấu ăn và cung cấp nƣớc nóng cho sinh hoạt – một giải pháp
tiết kiệm năng lƣợng và bảo vệ môi trƣờng‖.[7] Công trình đã thể hiện đƣợc phƣơng
pháp lắp đặt và so sánh về tính hiệu quả kinh tế. Tuy nhiên, cần làm rõ hơn những
nơi có thế áp dụng và đƣa ra phân tích rõ ràng theo từng vùng miền với mức năng
lƣợng có thể khai thác khác nhau.
Hình 1. 5 Hình ảnh bếp nấu dùng năng lượng mặt trời.
1.2.5 Quá trình vô trùng nƣớc bằng năng lƣợng mặt trời
Việc vô trùng nƣớc bằng năng lƣợng mặt trời có thể đƣợc thực hiện bằng các hộp
thu năng lƣợng mặt trời gồm một khung gỗ có phủ một lớp màng mỏng đƣợc sơn
đen để tập trung nhiệt lƣợng từ ánh nắng mặt trời. Phía trong có một cái bình để
đựng nƣớc. Nhiệt lƣợng thu đƣợc từ ánh nắng mặt trời sẽ đun nƣớc tới khoảng 65 độ
C sau vài chục phút và sau đó nƣớc sẽ đƣợc vô trùng. Một hộp năng lƣợng mặt trời
nhƣ vậy có thể vô trùng đƣợc khoảng 4 lít nƣớc trong vòng 3 tiếng đồng hồ.
Phƣơng án này đã đƣợc Viện Khoa học Công nghệ Môi trƣờng Liên bang Thụy Sỹ
(EAWAG) và Trung tâm Nghiên cứu nƣớc và vệ sinh môi trƣờng cho các cƣớc đang
phát triển ở Thụy Sỹ (SANDEC) nghiên cứu từ năm 1991 và đƣợc phân tích rõ
trong tài liệu [7]. Trung tâm Nƣớc sạch và Vệ sinh môi trƣờng nông thôn (Cerwass)
đã triển khai kêu mọi ngƣời sử dụng phổ biến thông qua dự án ―Thúc đẩy và lan
rộng phƣơng pháp xử lý vi sinh vật trong nƣớc bằng ánh sáng mặt trời‖ công văn số
1131/DP/AIDS-MT, ngày 27/07/2005. [8]
5
---------------
LUẬN VĂN THẠC SỸ
Thiết kế và phân tích hệ thống điện mặt trời
áp mái với bộ hòa lƣới điện thông minh
LÊ VĂN LỰC
[email protected]
Ngành Kỹ thuật điện
Giảng viên hƣớng dẫn : TS. Nguyễn Đức Tuyên ____________
Chữ kỹ của GVHD
Bộ môn: Kỹ thuật điện
Viện: Điện
Hà Nội, 2020
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn: Lê Văn Lực
Đề tài luận văn: Thiết kế và phân tích hệ thống điện mặt trời áp mái với
bộ hòa lƣới điện thông minh
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
Mã số SV: CB180106
Tác giả, Ngƣời hƣớng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác
giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 21 tháng 07
năm 2020 với các nội dung sau:
Chỉnh sửa lại các hình trong luận văn bị mờ không nhìn rõ.
Giải thích ý nghĩa và thành phần trong các công thức.
Trình bày rõ hơn hệ thống điều khiển của điện mặt trời kết nối lƣới điện.
Bổ sung và điều chỉnh lại các mẫu tài liệu tham khảo.
Soát lại các lỗi chính tả và cách trình bày.
Ngày 21 tháng 07 năm 2020
Giáo viên hƣớng dẫn Tác giả luận văn
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
ĐỀ TÀI LUẬN VĂN
Cơ sở: Các nguồn phát điện dùng năng lƣợng mặt trời đang đƣợc tích hợp vào hệ
thống điện Việt Nam với công suất đặt rất lớn, ảnh hƣởng nhiều đến vận hành kỹ
thuật hệ thống điện Việt Nam. Hiện nay, các nghiên cứu trong nƣớc về hệ thống
điện mặt trời chƣa nhiều và đủ để đáp ứng giải quyết các vấn đề kỹ thuật thực tế đặt
ra.
Mục đích: Luận văn sẽ góp phần nêu lên vai trò và thực tế phát triển của nguồn năng
lƣợng điện mặt trời tại Việt nam và các vấn đề kỹ thuật liên quan đến hệ thống năng
lƣợng mặt trời, nhằm giúp ích các các sinh viên, các nhà nghiên cứu, các chủ đầu tƣ,
nhà vận hành hệ thống điện.
Yêu cầu: Luận văn cần giải quyết đƣợc một số vấn đề cơ bản:
1. Thiết kế kỹ thuật cho hệ thống điện mặt trời áp mái.
2. Nêu rõ khái niệm và phân tích các chức năng bộ hòa lƣới thông minh.
3. Xác định rõ hiệu quả kinh tế trong việc lắp đặt hệ thống điện mặt trời thực tế.
4. Sử dụng mô phỏng để kiểm tra chức năng của bộ hòa lƣới thông minh.
Giáo viên hƣớng dẫn
Ký và ghi rõ họ tên
Lời cảm ơn
Lời đầu tiên, tôi muốn gửi lời cảm ơn đến nhóm nghiên cứu khoa học tại Viện Điện
thuộc Trƣờng đại học Bách Khoa Hà Nội đã cùng nghiên cứu và phát triển các ý
tƣởng đƣa ra để có thể áp dụng hữu ích vào thực tế. Những buổi họp, trao đổi hàng
tuần mang lại hiệu quả lớn đến công việc của tôi.
Tiếp theo, tôi xin cảm ơn tất cả thành viên trong lớp cao học 2018B và bạn Đỗ Văn
Long đã góp ý và đƣa ra những lời khuyên giá trị để tôi có thể hoàn thành phần mô
phỏng, đƣa ra nhận xét về ảnh hƣởng của công suất thực và công suất phản kháng
trong hệ thống điện mặt trời.
Thứ ba, tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn của mình với thầy cô tại Viện Điện đã chỉ
bảo cho tôi nhiều kiến thức chuyên môn về hệ thống điện để tôi có góc nhìn rõ hơn
về những nguồn năng lƣợng mới. Từ đó, tôi đã tập trung nghiên cứu và phân tích bài
toán kinh tế so sánh giá trị giữa việc đầu tƣ vào hệ thống điện mặt trời và gửi tiền
tiết kiệm lãi suất ngân hàng. Đồng thời hoàn thành chƣơng trình đào tạo cao học tại
Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội.
Cuối cùng cũng là quan trọng nhất, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo
TS. Nguyễn Đức Tuyên đã giảng dạy, và hƣớng dẫn nhiệt tình, giúp tôi định hƣớng
đề tài, hỗ trợ tối đa, giảng giải chi tiết để có thể hoàn thành bài luận văn trên đây
một cách tốt nhất.
Mặc dù đã nỗ lực hết mình, nhƣng do khả năng, kiến thức có hạn nên không thể
tránh đƣợc những sai sót trong lúc thực hiện luận văn này. Kính mong quý thầy cô
giúp đỡ và chỉ dẫn thêm để tôi có thể phát triển bài luận văn này, đƣa vào áp dụng
để mang lại nhiều đóng góp hơn trong thực tế.
Tóm tắt nội dung luận văn
Định hướng: Các nguồn năng lƣợng sơ cấp đang có nguy cơ bị suy kiệt do con
ngƣời khai thác ngày càng nhiều. Hầu nhƣ các quy trình chuyển nguồn năng lƣợng
sơ cấp sang điện năng thƣờng gây ô nhiễm môi trƣờng. Vì vậy, cần hƣớng đến
nguồn năng lƣợng sạch nhƣ năng lƣợng gió, năng lƣợng nƣớc, năng lƣợng mặt trời.
Nhƣng nguồn điện tạo ra từ năng lƣợng mặt trời có nhiều ƣu điểm hơn vì cấu tạo hệ
thống đơn giản, an toàn và chi phí đầu tƣ phù hợp.
Mục tiêu: Thiết kế và phân tích hệ thống điện mặt trời áp mái với bộ hòa lƣới thông
minh. Giới thiệu chi tiết các ứng dụng năng lƣợng mặt trời quy mô hộ gia đình, tòa
nhà cao tầng, hoặc các xí nghiệp doanh nghiệp. Luận văn đƣa ra một hƣớng nghiên
cứu mới để cải thiện chất lƣợng và tính năng của hệ thống khi đi sâu vào phân tích
thành phần bộ hòa lƣới thông minh trong hệ thống điện năng lƣợng mặt trời. Đồng
thời, luận văn cũng nêu lên đóng góp về hiệu quả kinh tế trong việc lắp đặt hệ thống
điện mặt trời thực tế.
Phương pháp: Đây là một dự án tƣơng đối chi tiết với những phân tích chuyên sâu
và kết quả mô phỏng rõ ràng giúp nhận ra lợi ích của việc sử dụng năng lƣợng mặt
trời. Việc điều khiển công suất phản kháng và công suất thực làm ổn định chất
lƣợng điện năng và đóng góp lớn đến hiệu quả của vận hành hệ thống điện. Thông
qua bài toán so sánh giữa đầu tƣ hệ thống điện mặt mặt trời và gửi tiền tiết kiệm lãi
suất ngân hàng để thấy rõ hơn tính hiệu quả kinh tế của một dự án đầu tƣ điện mặt
trời áp mái.
Hạn chế: Chƣa thể lập trình mô phỏng đối với một bộ hòa lƣới thông minh với đầy
đủ các chức năng đã đề xuất. Đối với định hƣớng phát triển mở rộng sau này sẽ
hƣớng tới việc cải thiện điện áp và sóng hài của bộ hòa lƣới thông minh.
Kết luận: Luận văn có thể đƣợc áp dụng cho các hộ gia đình để nâng cao tính hiệu
quả kinh tế trong đầu tƣ và khai thác điện mặt trời. Các mô hình hệ thống điện mặt
trời đƣợc phân tích và mô phỏng có thể triển khai thực hiện trong trƣờng Đại học,
giúp cho sinh viên thực hiện thí nghiệm trên các mô hình thực tế.
HỌC VIÊN
Ký và ghi rõ họ tên
MỤC LỤC
ĐỀ TÀI LUẬN VĂN ....................................................................................................
Lời cảm ơn ....................................................................................................................
Tóm tắt nội dung luận văn ............................................................................................
DANH MỤC VIẾT TẮT ..............................................................................................
DANH MỤC BẢNG .....................................................................................................
DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................................
PHẦN NHẬN XÉT TÓM TẮT CỦA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN .................................
NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ CỦA NGƢỜI CHẤM PHẢN BIỆN ...................................
CHƢƠNG 1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ................................................................ 1
1.1 Năng lƣợng tái tạo - Điện mặt trời ........................................................................ 1
1.1.1 Lý do lựa chọn đồ án .................................................................................. 1
1.1.2 Mục đích ..................................................................................................... 2
1.1.3 Đối tƣợng .................................................................................................... 2
1.1.4 Phạm vi ....................................................................................................... 2
1.2 Phƣơng pháp tận dụng năng lƣợng mặt trời.......................................................... 2
1.2.1 Sử dụng năng lƣợng mặt trời phân tách Hydro từ nƣớc ............................. 3
1.2.2 Thiết bị sấy khô dùng năng lƣợng mặt trời................................................. 3
1.2.3 Các phƣơng tiện, hệ thống đèn giao thông dùng năng lƣợng mặt trời ....... 4
1.2.4 Bếp nấu dùng năng lƣợng mặt trời ............................................................. 4
1.2.5 Quá trình vô trùng nƣớc bằng năng lƣợng mặt trời .................................... 5
1.2.6 Thiết bị đun nƣớc nóng bằng năng lƣợng mặt trời ..................................... 6
1.2.7 Hệ thống cấp điện cho tòa nhà sử dụng năng lƣợng mặt trời ..................... 6
1.3. Các nghiên cứu liên quan đến luận văn trong và ngoài nƣớc .............................. 7
1.4 Kết luận ................................................................................................................ 8
CHƢƠNG 2. CẤU TRÚC CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI VÀ SỰ
CẢI THIỆN HỆ THỐNG KHI SỬ DỤNG BỘ HÒA LƢỚI THÔNG MINH ......... 10
2.1 Các thành phần của hệ thống điện năng lƣợng mặt trời...................................... 10
2.1.1 Tấm Pin mặt trời và thiết bị phụ trợ ......................................................... 10
2.1.2 Xác định dung lƣợng bình ắc quy............................................................. 11
2.1.3 Bộ hòa lƣới thông minh ............................................................................ 11
2.1.4 Khung giá đỡ, cáp và thiết bị chống sét.................................................... 13
2.1.5 Công tơ điện 2 chiều ................................................................................. 16
2.2 Cách thức hoạt động............................................................................................ 16
2.2.1 Hệ thống điện mặt trời độc lập ngoài lƣới điện ........................................ 16
2.2.2 Hệ thống điện mặt trời nối với lƣới điện không dự trữ ............................... 17
2.2.3 Hệ thống điện mặt trời áp mái nối lƣới điện quốc gia có ắc quy dự trữ ... 18
2.3 Các giải pháp cải thiện chất lƣợng hệ thống điện mặt trời ................................. 19
2.3.1 Đối với tấm pin mặt trời .......................................................................... 19
2.3.2 Đối với bộ hòa lƣới thông minh ............................................................... 23
2.3.3 Nâng cao tiêu chuẩn bảo vệ khi hệ thống điện mặt trời gặp sự cố ........... 36
CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ VÀ SO SÁNH HIỆU QUẢ VỀ MẶT KINH TẾ HỆ
THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI ÁP MÁI VỚI BỘ HÒA LƢỚI THÔNG MINH ......... 38
3.1 Phƣơng án thiết kế hệ thống điện năng lƣợng mặt trời áp mái .......................... 38
3.1.1 Tiêu chuẩn nối lƣới đối với điện mặt trời lắp mái .................................... 38
3.1.2 Quy trình tính toán vị trí và lắp đặt hệ thống............................................ 42
3.1.3 Tính tổng năng lƣợng dàn Pin nhận đƣợc: ............................................... 44
3.1.4 Tính tổng lƣợng điện tiêu thụ trung bình đối với một hộ gia đình ........... 45
3.1.5 Tính tổng lƣợng điện cần cung cấp đối với một hộ gia đình .................... 45
3.1.6 Tính toán số lƣợng tấm pin mặt trời cần sử dụng ..................................... 46
3.1.7 Tính toán số lƣợng ắc quy cần sử dụng .................................................... 47
3.1.8 Tính toán lựa chọn bộ hòa lƣới tích hợp điều khiển sạc........................... 48
3.1.9 Quy trình thủ tục bán điện mặt trời trên mái nhà cho EVN ..................... 49
3.2 Bản vẽ thiết kế hệ thống điện mặt trời áp mái với bộ hòa lƣới thông minh ...... 51
3.3 Mô tả hoạt động chi tiết của hệ thống khi hoàn thành lắp đặt và đấu lƣới ........ 57
3.4 Bài toán kinh tế khi đầu tƣ vào hệ thống điện mặt trời ...................................... 58
3.4.1 Chi phí lắp đặt hệ thống điện mặt trời ...................................................... 58
3.4.2 Tổng tiền nhận đƣợc từ hệ thống năng lƣợng mặt trời ............................. 59
3.4.3 Bài toán kinh tế gửi tiền tiết kiệm lãi suất kép tại ngân hàng................... 60
3.4.5 Kết luận hiệu quả kinh tế của hệ thống điện mặt trời ............................... 63
CHƢƠNG 4. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI ĐIỀU KHIỂN CÔNG
SUẤT P, Q BẰNG PHẦN MỀM PSCAD ............................................................... 65
4.1 Thiết kế hệ thống điện mặt trời dựa trên phần mềm PSCAD ............................. 65
4.2 Cung cấp công suất phản kháng .......................................................................... 66
4.2.1 Nhu cầu bù công suất phản kháng ............................................................ 67
4.2.2 Phƣơng pháp bù công suất phản kháng .................................................... 67
4.2.3 Điều chỉnh cho hệ thông điện mặt trời ..................................................... 68
4.2.4 Tầm quan trọng và định hƣớng áp dụng ................................................... 72
4.3 Điều khiển công suất thực&công suất phản kháng với MPPT cho bộ hòa lƣới
quang điện kết nối lƣới ba pha .................................................................................. 72
4.3.1 Kiểm soát công suất thực và phản khảng ................................................. 73
4.3.2 Kết quả mô phỏng kiểm soát công suất phản kháng và công suất thực khi
hệ thống làm việc ổn định .................................................................................. 75
4.4 Điều khiển công suất thực và công suất phản kháng trong hệ thống điện mặt trời
nối lƣới khi xảy ra sự cố ngắn mạch ......................................................................... 79
4.4.1 Hệ thống điện mặt trời ba pha nối lƣới ..................................................... 79
4.4.2 Điều khiển công suất thực và công suất phản kháng khi hệ thống gặp sự
cố ngắn mạch ..................................................................................................... 80
4.4.3 Kết quả mô phỏng kiểm soát công suất phản kháng và công suất thực khi
hệ thống gặp sự cố ngắn mạch. .......................................................................... 80
4.5 Kết luận chƣơng 4 ............................................................................................... 83
CHƢƠNG 5. KẾT LUẬN......................................................................................... 85
5.1 Kết quả và kiến nghị ........................................................................................... 85
5.2 Hạn chế và định hƣớng mở rộng ......................................................................... 87
DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ĐÃ
CÔNG BỐ ................................................................................................................. 88
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 89
PHỤ LỤC .................................................................................................................. 95
DANH MỤC VIẾT TẮT
VAR Volt ampere reactive Đơn vị đo phản kháng
AC Alternating current Dòng điện một chiều
DC Direct current Dòng điện xoay chiều
PV Photovoltaic Pin quang điện
DER Distributed energy resources Tài nguyên năng lƣợng phân tán
Institute of Electrical and
IEEE Viện Kỹ thuật Điện và Điện tử
Electronics Engineers
WEIL Western Electric Industry Leaders Lãnh đạo ngành điện Tây Âu
Viện năng lƣợng tự nhiên
HNEI Hawaii Natural Energy Institute
Hawaii
MPP Max Power Point Điểm công suất tối đa
Thuật toán bám điểm công suất
MPPT Maximum Power Point Tracker
tối đa
EPRI Electric Power Research Institute Viện nghiên cứu điện
DTE Detroit Edison
DOE Departmant of Energy Bộ năng lƣợng Hoa Kỳ
National Institute of Standards and
NIST Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ
Technology
DNP3 Distributed network protocol, ver 3 Biên bản mạng phân tán (bản 3)
International Electrotechnical
IEC Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế
Commission
Hồ sơ năng lƣợng thông minh
SEP2 Smart Energy Profile 2.0
2.0
Microsystems and Engineering Các hệ thống vi mô và ứng dụng
MESA
Sciences Applications khoa học kỹ thuật
PAP Priority Action Plan Kế hoạch hành động ƣu tiên
TC57 Technical Committee 57 Ban kỹ thuật 57
WG17 Working Group 17 Tổ công tác 17
PLL Phase Lock Loop Giai đoạn khóa vòng
Secure Supercomputing
SSN Mạng siêu máy tính an toàn
Networking
SEPA Solar Electric Power Association Hiệp hội điện mặt trời
CTĐL/ĐL Công ty điện lực / Điện Lực
IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor Bán dẫn lƣỡng cực cách điện
SPWM Sinusoidal Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung hình sin
RMS Rotating Mass Storage Lƣu trữ hàng loạt
LVRT Low Voltage Ride Through Chạy qua điện áp thấp
FRT Fault Ride Through Chạy qua lỗi
DG Distributed Generation Hệ truyền tải
AD Autonomy Day Số ngày dự phòng điện ắc quy
DOD Deep of discharge level Mức xả sâu
PA Panels Số tấm pin sử dụng
BC Battery capacity Dung lƣợng ắc quy dự trữ
E Efficiency Hiệu suất bình ắc quy
PV DG PhotovoltaicDistributed GenerationHệ thống truyền tải quang năng
Tiêu chuẩn cho Bộ hòa lƣới, Bộ
Standard for Inverters, Converters,
chuyển đổi, Bộ điều khiển và.
UL 1741 Controllers and. Interconnection
Thiết bị hệ thống kết nối để sử
SA System Equipment for Use with
dụng với tài nguyên năng lƣợng
Distributed Energy Resources
phân tán
P&O Perturb và Observe phƣơng pháp P&O
IC Increases Current Phƣơng pháp dẫn điện tăng dần
AWG American Wire Gauge Loại dây tiêu chuẩn Mỹ
FV Forward Voltage Điện áp chuyển tiếp
TFSC Thin Film Solar Cell Pin mặt trời màng mỏng
A-Si Amorphous Silicon Silic vô định hình
CdTe Cadmium Telluride
CIS/CIGS Copper Indium Gallium Selenide
OPC Organic Photovoltaic Cells Tế bào quang điện hữu cơ
TT-BCT Thủ Tƣớng – Bộ Công Thƣơng
QĐ-TTg Quyết định – Thủ Tƣớng
Autonome Thời gian dự phòng
DANH MỤC BẢNG
Bảng 2. 1 Tính toán khái quát về tấm pin ................................................................. 21
Bảng 2. 2 Hiệu suất của ba công nghệ PV phổ biến ................................................. 23
Bảng 2. 3 Logic chuyển đổi SPWM [48] .................................................................. 31
Bảng 3. 1 So sánh tiêu chuẩn tần số Việt Nam với quốc tế……………………….......39
Bảng 3. 2 Tiêu chuẩn định lƣợng nhấp nháy quốc tế................................................ 40
Bảng 3. 3 Tiêu chuẩn mất cân bằng pha quốc tế....................................................... 40
Bảng 3. 4 Tiêu chuẩn thiết bị bộ hòa lƣới thông minh [66] ...................................... 41
Bảng 3. 5 Minh họa về thông số sử dụng điện của một hộ gia đình. ........................ 45
Bảng 3. 6 Tính số W-hour các tấm pin mặt trời phải cung cấp cho toàn tải [69] ..... 45
Bảng 3. 7 Thông số kỹ thuật tấm pin mặt trời 72 Cell – 330W hãng KingTEK [72]46
Bảng 3. 8 Tổng chi phí lắp đặt sử dụng hệ thống điện mặt trời ................................ 58
Bảng 3. 9 Bảng giá bán điện theo giờ dành cho nhóm hộ gia đình năm 2019 [74] .. 59
Bảng 3. 10 Bảng thống kê tiền điện phải trả cho EVN theo trung bình tháng ......... 59
Bảng 3. 11 Thống kê phụ tải của hộ gia đình ........................................................... 61
Bảng 3. 12 Tổng chỉ phí cho hệ thống điện mặt trời với diện tích mặt bằng 245 m2 62
Bảng 4. 1 Thông số kỹ thuật của hệ thống………………………………………….81
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. 1 Hình ảnh về điện mặt trời áp mái ................................................................ 2
Hình 1. 2 Hình ảnh mô hình cung cấp nguyên liệu Hydro bằng năng lƣợng mặt trời 3
Hình 1. 3 Hình ảnh mô hình thiết bị sấy khô bằng năng lƣợng mặt trời. ................... 4
Hình 1. 4 Ứng dụng năng lƣợng mặt trời vào thiết bị kỹ thuật ................................... 4
Hình 1. 5 Hình ảnh bếp nấu dùng năng lƣợng mặt trời. ............................................. 5
Hình 1. 6 Hình ảnh mô phỏng quá trình vô trùng bằng năng lƣợng mặt trời ............. 6
Hình 1. 7 Hình ảnh thiết bị đun nƣớc nóng bằng NLMT. .......................................... 6
Hình 1. 8 Hình ảnh hệ thống điện mặt trời áp mái ...................................................... 7
Hình 2. 1 Thành phần của hệ thống điện mặt trời…………………………………..10
Hình 2. 2 Kết cấu khung giá đỡ tấm pin ................................................................... 14
Hình 2. 3 Mô hình hệ thống điện mặt trời độc lập .................................................... 16
Hình 2. 4 Mô hình hệ thống điện mặt trời hòa lƣới không dự trữ ............................ 17
Hình 2. 5 Mô hình hệ thống điện mặt trời hòa lƣới có dự trữ ................................... 18
Hình 2. 6 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Pin mặt trời [39] ............................. 19
Hình 2. 7 Các tình huống thực tế xảy ra khi sử dụng tấm Pin mặt trời .................... 20
Hình 2. 8 Hệ thống điều chỉnh bỏ qua phần diode bị che phủ .................................. 21
Hình 2. 9 Tấm pin mặt trời đơn tinh thể (pin mono) ................................................ 22
Hình 2. 10 Tấm pin mặt trời đa tinh thể (pin poly) ................................................... 22
Hình 2. 11 Tấm pin mặt trời màng mỏng (Thin Film) .............................................. 23
Hình 2. 12 Cấu trúc liên kết hệ thống bộ hòa lƣới thông minh PV .......................... 25
Hình 2. 13 Cấu trúc liên kết ba pha của Inverter ...................................................... 26
Hình 2. 14 Biểu đồ tác động của công suất phản kháng [43] ................................... 27
Hình 2. 15 Thuật toán MPPT .................................................................................... 28
Hình 2. 16 a Sơ đồ cấu trúc của thuật toán IC [46] [47]………………………….….29
Hình 2. 16 b Sơ đồ cấu trúc của thuật toán P & O [46] [47] ................ …………...29
Hình 2. 17 a SPWM Tham chiếu dạng sóng hình sin và tam giác (ma = 1)………...30
Hình 2. 17 b SPWM Tham khảo dạng sóng hình sin và tam giác (Phóng to) .......... 31
Hình 2. 18 a Dạng sóng điện áp không lọc và đƣợc lọc (Ba chu kỳ)………….32
Hình 2. 18 b Dạng sóng điện áp không lọc và đƣợc lọc (Nửa chu kỳ)........... 32
Hình 2. 19 Sự phát triển tiêu chuẩn kết nối DER theo các năm. [43]……………….33
Hình 2. 20 Chức năng của bộ hòa lƣới thông minh [57]………………...……………34
Hình 2. 21 Micro Inverter………………………………………………………….........35
Hình 2. 22 Inverter chuỗi của Huawei ...................................................................... 36
Hình 2. 23 Central Inverter kết hợp với máy biến áp và bộ đóng ngắt ..................... 36
Hình 2. 24 Thị phần các nhà sản xuất inverter năm 2019 [61] ................................. 36
Hình 2. 25 Các giải pháp chống sét hệ thống điện mặt trời [63] .............................. 37
Hình 3. 1 Bản đồ bức xạ mặt trời trên mái………………………………………………43
Hình 3. 2 Các loại công nghệ lắp đặt dàn Pin năng lƣơng mặt trời .......................... 44
Hình 3. 3 Góc nghiêng lắp đặt tấm pin so với phƣơng ngang 15°[68] ..................... 45
Hình 3. 4 Tính toán sản lƣợng điện theo mô phỏng phần mềm PVsyst [68] ............ 47
Hình 3. 5 Báo cáo về sự phủ bóng lên công trình điện mặt trời [68]........................ 47
Hình 3. 6a Quy trình đăng ký kiểm tra và mua bán điện giai đoạn 1 [73]…………..50
Hình 3. 6b Quy trình đăng ký kiểm tra và mua bán điện giai đoạn 2 [73] ............... 50
Hình 3. 7 Chi tiết giàn khung hệ thống điện mặt trời nối lƣới……………………...51
Hình 3. 8 Nguyên lý đấu nối các tấm pin………………………………………......52
Hình 3. 9 Bản vẽ bố trí mặt bằng hệ thống điện mặt trời…………………………. 53
Hình 3. 10 Bản vẽ khung hệ thống điện mặt trời………………………………….. 54
Hình 3. 11 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo hệ thống……………………………………….....55
Hình 3. 12 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điện mặt trời .................................................. 56
Hình 3. 13 Sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ thống điện mặt trời ................................... 57
Hình 4. 1 Giới thiệu về phần mềm PSCAD…………………………………………….65
Hình 4. 2 Chỉ có công có ích khi dòng điện và điện áp cùng pha ............................. 66
Hình 4. 3 Chỉ có công suất phản kháng khi dòng điện và điện áp dịch pha 90o ....... 66
Hình 4. 4 Dòng điện và điện áp đƣợc dịch pha và do đó làm giảm công có ích ...... 67
Hình 4. 5 Công suất biểu kiến đƣợc biểu diễn dƣới dạng hình học theo công suất
thực và công suất khản kháng ................................................................................... 67
Hình 4. 6 Tụ điện cố định và bộ điều chỉnh .............................................................. 69
Hình 4. 7 Sơ đồ nguyên lý của máy đồng bộ ............................................................ 69
Hình 4. 8 Sơ đồ bản vẽ–SVC .................................................................................... 70
Hình 4. 9 Sơ đồ nguyên lý và mạch tƣơng đƣơng trên mỗi pha– STATCOM [81] . 70
Hình 4. 10 Đồ thị thể hiện (a) Hoạt động điện dung, (b) hoạt động quy nạp, (c)
Không có chế độ tải (Vi = Vs) [81] ........................................................................... 71
Hình 4. 11 Đặc điểm V-I của STATCOM ................................................................ 71
Hình 4. 12 Hình minh họa cho biến đổi Clarke và Park ........................................... 73
Hình 4. 13 Sơ đồ khối sơ đồ của PLL ....................................................................... 75
Hình 4. 14 Mô hình chi tiết hệ thống điều khiển ...................................................... 75
Hình 4. 15 Sơ đồ mô phỏng hệ thống điện mặt trời áp mái nối lƣới ........................ 75
Hình 4. 16 Điện áp và dòng điện đầu ra mảng PV.................................................... 76
Hình 4. 17 Điện áp và dòng điện của bộ chuyển đổi tăng cƣờng DC-DC ................ 76
Hình 4. 18 Công suất thực và phản ứng trong trƣờng hợp 1 .................................... 76
Hình 4. 19 Điện áp đầu ra của biến tần trong trƣờng hợp 1...................................... 77
Hình 4. 20 Dòng điện đầu ra của biến tần trong trƣờng hợp 1 ................................. 77
Hình 4. 21 Tổng méo hài hiện tại trong trƣờng hợp 1 ............................................. 78
Hình 4. 22 Công suất thực và phản kháng khi thay đổi bức xạ ................................ 78
Hình 4. 23 Công suất thực và phản kháng khi tăng giảm công suất phản kháng ..... 79
Hình 4. 24 Cấu trúc của hệ thống kết nối lƣới PV ba pha ........................................ 80
Hình 4. 25. Mô phỏng hiện tƣợng ngắn mạch 3 pha chạm nhau .............................. 81
Hình 4. 26. Điện áp hiệu dụng của lƣới khi xảy ra sự cố.......................................... 81
Hình 4. 27 Công suất tác dụng của PV khi xảy ra sự cố ........................................... 82
Hình 4. 28 Công suất phản kháng của PV khi xảy ra sự cố ...................................... 82
Hình 4. 29 Dạng sóng điện áp khi xảy ra sự cố sụt áp ở mức 0.4 pu........................ 83
Hình 4. 30 Dạng sóng dòng điện khi xảy ra sự cố sụt áp ở mức 0.4pu .................... 83
PHẦN NHẬN XÉT TÓM TẮT CỦA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN
1. Tinh thần, thái độ của sinh viên trong quá trình làm đề tài tốt nghiệp
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
2. Đánh giá chất lƣợng của Đ.T.T.N (so với nội dung yêu cầu đã đề ra trong nhiệm
vụ Đ.T.T.N, trên các mặt lý luận thực tiễn, tính toán giá trị sử dụng, chất lƣợng các
bản vẽ….)
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
3. Cho điểm của cán bộ hƣớng dẫn
(Điểm ghi bằng số và chữ )
Ngày ………tháng……….năm 2020
Cán bộ hƣớng dẫn chính
( Ký và ghi rõ họ tên )
NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ CỦA NGƢỜI CHẤM PHẢN BIỆN
ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP
1. Đánh giá chất lƣợng đề tài tốt nghiệp về các mặt thu nhập và phân tích số liệu ban
đầu, cơ sở lý luận chọn phƣơng án tối ƣu, cách tính toán chất lƣợng thuyết minh
và bản vẽ, giá trị lý luận và thực tiễn đề tài.
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
………………………………………
2. Cho điểm của cán bộ chấm phản biện
(Điểm ghi bằng số và chữ )
Hà Nội, ngày …… tháng …… năm 2020
Ngƣời chấm phản biện
( Ký và ghi rõ họ tên )
CHƢƠNG 1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
1.1 Năng lƣợng tái tạo - Điện mặt trời
1.1.1 Lý do lựa chọn đồ án
Một trong những yếu tố quan trọng để hỗ trợ nhân loại phát triển mạnh mẽ là năng
lƣợng. Cuộc khủng hoảng năng lƣợng trở nên minh bạch vào cuối năm 1900. Điều
đó thúc đẩy tìm kiếm các nguồn năng lƣợng bổ sung để đáp ứng nhu cầu năng lƣợng
ngày càng tăng. [1] Một lựa chọn là tăng khai thác các nguồn năng lƣợng hiện đang
sử dụng nhƣ hạt nhân, nhiên liệu hóa thạch,v.v… Và cách khác là khám phá các
nguồn năng lƣợng tái tạo mới. Nhiều nguồn năng lƣợng tái tạo khác nhau đã nổi lên
nhƣ là giải pháp khả thi và mỗi một trong số chúng có các thuộc tính tích cực và tiêu
cực riêng. Nhìn chung, các nguồn năng lƣợng tái tạo đều miễn phí và nên đƣợc đƣa
vào tận dụng để không bị lãng phí. Những yếu tố này là động lực chính để các quốc
gia bắt đầu đƣa năng lƣợng tái tạo vào danh mục năng lƣợng cần đƣợc phát triển
mạnh mẽ.
Nắm bắt đƣợc tầm quan trọng của vấn đề khi phải đối mặt với bài toán phức tạp và
đa mục tiêu, một mặt cần đáp ứng nhu cầu tăng cao để phát triển kinh tế - xã hội,
mặt khác cần đảm bảo tuân thủ các cam kết quốc tế về phát triển bền vững. Chính
phủ đã có những động thái hết sức tích cực nhƣ chỉ đạo đẩy mạnh hoạt động hợp tác
quốc tế ứng dụng các công nghệ và chuyển giao công nghệ năng lƣợng mới một
cách đồng bộ của các nhà quản lý, các doanh nghiệp và nhà khoa học, cùng với đó là
sự hợp tác, hỗ trợ chuyển giao công nghệ từ các quốc gia phát triển nhƣ Đức, Nhật
Bản,... Từ đó thiết lập khung chính hỗ trợ các nguồn năng lƣợng mới, tái tạo, đặc
biệt là điện mặt trời và điện gió.
Tính đến cuối tháng 7/2018, cả nƣớc đã có 748 dự án điện mặt trới áp mái đƣợc
triển khai với tổng công suất là 11,55 MWp. [2] Đây là một thị trƣờng đƣợc đánh
giá nhiều tiềm năng và hiện giá cả cũng rất hợp lý, phù hợp với khả năng đầu tƣ của
nhiều gia đình. Thống kê riêng tại Tp. Hồ Chí Minh cho thấy, có tới gần 277.000
mái nhà tại đây đủ điều kiện để lắp đặt điện mặt trời. Tính chung, tiềm năng của thị
trƣờng hiện tại lên đến 6.000 MWp. Nếu phát huy tối đa thị trƣờng điện mặt trời áp
mái, Việt Nam sẽ có một nguồn cung điện năng rất lớn và chủ động đƣợc nguồn
điện, đó đƣợc xem là nền tảng để phát triển kinh tế đất nƣớc hiện nay. Với chính
sách của Nhà nƣớc khuyến khích phát triển nguồn điện từ năng lƣợng mặt trời, Chính
phủ đã ban hành Quyết định 11/2017/QĐ-TTg ngày 11/4/2017 về cơ chế khuyến
khích phát triển các dự án điện mặt trời tại Việt Nam và Quyết định số
02/2019/QĐTTg ngày 8/1/2019 sửa đổi bổ sung một số điều của Quyết định
11/2017/QĐ-TTg. [2] Đã có rất nhiều dự án nguồn điện mặt trời đƣợc triển khai, đầu
tƣ xây dựng. Trong đó, điện mặt trời áp mái là một hình thức mới, ƣu việt, có thể phát
triển vƣợt bậc trong tƣơng lai. Điện mặt trời đƣợc lắp đặt với quy mô nhỏ trên mái nhà
dân, mái tòa nhà thƣơng mại, mái công xƣởng, nhà máy,... với quy mô một vài kW tới
hàng trăm MW.
1
Ưu điểm của điện mặt trời áp mái: Không tốn diện tích đất. Giúp tăng cƣờng chống
nóng hiệu quả cho các công trình. Có quy mô nhỏ, lắp đặt phân tán nên đƣợc đấu
nối vào lƣới điện hạ áp và trung áp hiện hữu, không cần đầu tƣ thêm hệ thống lƣới
điện truyền tải. Đƣợc lắp đặt nhiều ở các mái nhà trong thành phố, khu công nghiệp
nên có tác dụng làm giảm quá tải lƣới điện truyền tải từ các nguồn điện truyền
thống, thƣờng đặt ở xa các trung tâm đông dân.
Hình 1. 1 Hình ảnh về điện mặt trời áp mái
1.1.2 Mục đích
Đánh giá đƣợc tiềm năng ứng dụng điện mặt trời tại Việt Nam.
Thiết kế hệ thống điện mặt trời áp mái với bộ hòa lƣới thông minh tại Quận 9, Tp.
Hồ Chí Minh.
Phân tích đƣợc chức năng, nhiệm vụ và hiệu quả của bộ hòa lƣới thông minh trong
hệ thống điện mặt trời áp mái bằng phần mềm PSCAD.
1.1.3 Đối tƣợng
Mô hình hệ thống điện mặt trời áp mái với bộ hòa lƣới thông minh tại Quận 9, Tp.
Hồ Chí Minh.
1.1.4 Phạm vi
Tìm hiểu, tính toán, thiết kế, xác định số lƣợng và vị trí lắp đặt các thiết bị (tấm pin
mặt trời, bộ hòa lƣới thông minh, bình ắc quy, đồng hồ đo …), lựa chọn thiết bị,
thiết kế các giá và khung đỡ cho các tấm pin mặt trời dựa trên phần mềm PVsyst.
Khảo sát, tính toán và đƣa ra đƣợc các phƣơng án nối lƣới hệ quả cho hệ thống điện
mặt trời.
Sử dụng phần mềm PSCAD để mô phỏng sơ đồ đấu nối và chạy ra đƣợc thông số kỹ
thuật cần thiết, cũng nhƣ nhìn nhận đƣợc trạng thái hoạt động của hệ thống.
Tính hiệu quả kinh tế: Đƣa ra những bài toán so sánh hiệu quả đầu tƣ vào hệ thống
điện mặt trời với gửi tiền tiết kiệm
1.2 Phƣơng pháp tận dụng năng lƣợng mặt trời
Năng lƣợng mặt trời, bức xạ ánh sáng và nhiệt từ mặt trời đã đƣợc con ngƣời khai
thác ngay từ thời cổ đại. Bức xạ mặt trời, cùng với tài nguyên thứ cấp của năng
2
lƣợng mặt trời nhƣ sức gió, sức sóng, sức nƣớc và sinh khối làm thành hầu hết năng
lƣợng tái tạo có sẵn trên Trái Đất. Chỉ một phần rất nhỏ của năng lƣợng mặt trời có
sẵn đƣợc sử dụng.
Điện mặt trời nghĩa là phát điện dựa trên động cơ nhiệt và pin quang điện. Ngày
nay, con ngƣời đã sử dụng loại điện năng này để ứng dụng trong nhiều lĩnh vực nhƣ
sƣởi ấm không gian và làm mát thông qua kiến trúc năng lƣợng mặt trời, chƣng cất
nƣớc uống và khử trùng, chiếu sáng bằng ánh sáng ban ngày, bình nƣớc nóng năng
lƣợng mặt trời, nấu ăn bằng năng lƣợng mặt trời. Để thu năng lƣợng mặt trời, cách
phổ biến nhất là sử dụng tấm năng lƣợng mặt trời.
1.2.1 Sử dụng năng lƣợng mặt trời phân tách Hydro từ nƣớc
Hiện tƣợng điện phân có thể phân tách phân tử nƣớc thành các nguyên tử hydro và
oxy, sau đó hydro có thể đƣợc sử dụng làm nhiên liệu. Hiện tƣợng điện phân đƣợc
thực hiện bởi các tế bào năng lƣợng mặt trời sẽ không thải khí CO2 làm ô nhiễm môi
trƣờng.
Tác giả Trần Mạnh Trí đã có công trình nghiên cứu về ―Vai trò của xúc tác trong
cuộc cách mạng năng lƣợng ở thế kỷ 21: Chuyển nền kinh tế hóa thạch sang nền
kinh tế Hydro nhờ năng lƣợng mặt trời‖ [3]. Tác giả Lê Thanh Sơn đã trình bày về
vấn đề trên trong bài báo với tiêu đề ―Năng lƣợng hydro – chìa khóa hóa giải những
thách thức của thế kỷ’’ [4]. Các công trình nghiên cứu trên đã thể hiện đƣợc tầm
quan trọng và phƣơng pháp áp dụng của việc sử dụng năng lƣợng mặt trời để phân
tách Hydro từ nƣớc. Tuy nhiên, hiệu suất vẫn chƣa đƣợc tối ƣu để đảm bảo tính
cạnh trạnh với các nguồn năng lƣợng hóa thạch hiện tại.
Hình 1. 2 Hình ảnh mô hình cung cấp nguyên liệu Hydro bằng năng lượng mặt trời
1.2.2 Thiết bị sấy khô dùng năng lƣợng mặt trời
Trƣớc đây, năng lƣợng mặt trời đƣợc áp dụng khá phổ biến trong lĩnh vực nông
nghiệp để sấy các sản phẩm nhƣ ngũ cốc, thực phẩm… nhằm giảm tỉ lệ hao hụt và
tăng chất lƣợng sản phẩm. Ngoài mục đích để sấy nông sản, năng lƣợng mặt trời còn
đƣợc dùng để sấy các loại vật liệu nhƣ gỗ.
Công trình nghiên cứu ―Thiết bị sấy nông sản bằng năng lƣợng mặt trời tại Việt
Nam’’ [5] của tác giả Nguyễn Xuân Tùng, Đinh Vƣơng Hùng, Đỗ Minh Cƣờng,
3
Phan Hòa, 2009. ―Nghiên cứu quá trình sấy thóc bằng thiết bị sấy năng lƣợng mặt
trời kiểu đối lƣu tự nhiên‖. [6]. Các công trình nghiên cứu khoa học về thiết bị sấy
khô dùng năng lƣợng mặt trời có tính ứng dụng cao. Tuy nhiên, vẫn chƣa đƣa ra
đƣợc phƣơng án kéo dài thời gian sấy vào cuối ngày, cần nghiên cứu phát triển bộ
phận tích nhiệt cho thiết bị sấy.
Hình 1. 3 Hình ảnh mô hình thiết bị sấy khô bằng năng lượng mặt trời.
1.2.3 Các phƣơng tiện, hệ thống đèn giao thông dùng năng lƣợng mặt trời
Đèn tín hiệu giao thông đƣợc lƣu sử dụng năng lƣợng mặt trời có ƣu điểm là không
cần sử dụng dây điện và khá linh hoạt, có thể tiết kiệm khá nhiều tiền điện khi hoạt
động liên tục trong thời gian dài. Chúng đƣợc thiết kế với một số bóng đèn LED
thân thiện với môi trƣờng và không cần phải sạc lại trong một thời gian khá lâu.
Trong trƣờng hợp mất điện lƣới thì những đèn tín hiệu giao thông này vẫn tiếp tục
hoạt động.
Chiếc máy bay mang tên The Solar Impulse với 12.000 tế bào quang điện trên cánh
là một mẫu thử của máy bay năng lƣợng mặt trời, chiếc máy bay này đã có chuyến
bay vòng quanh thế giới vào năm 2012. Trƣớc đó vào tháng 4/2012, The Solar
Impulse đã bay trên vùng trời Switzerland trong 87 phút ở độ cao 1.200 mét.
Hình 1. 4 Ứng dụng năng lượng mặt trời vào thiết bị kỹ thuật
1.2.4 Bếp nấu dùng năng lƣợng mặt trời
Bếp năng lƣợng mặt trời đƣợc ứng dụng rất rộng rãi ở các nƣớc nhiều nắng và nhiệt
độ cao nhƣ các nƣớc ở Châu Phi. Ở Việt Nam, việc bếp năng lƣợng mặt trời cũng đã
4
đƣợc sử dụng khá phổ biến. Năm 2000, Trung tâm Nghiên cứu thiết bị áp lực và
năng lƣợng mới – Đại học Đà Nẵng đã phối hợp với các tổ chức từ thiện Hà Lan
triển khai dự án 30.000 USD đƣa bếp năng lƣợng mặt trời vào sử dụng ở các vùng
nông thôn ở tỉnh Quảng Nam , Quảng Ngãi , dự án đã phát triển rất tốt và ngày càng
đƣợc đông đảo nhân dân ủng hộ. Trong năm 2002, Trung tâm dự kiến sẽ đƣa 750
bếp vào sử dụng ở các xã huyện Núi Thành và triển khai ứng dụng ở các khu ngƣ
dân ven biển để họ có thể nấu nƣớc, cơm và thức ăn khi ra khơi bằng năng lƣợng
mặt trời.
Tác giả Hoàng Dƣơng Hùng đã trình bày hiệu quả kinh tế và tính ứng dụng của việc
áp dụng năng lƣợng mặt trời vào bếp nấu thông qua công trình nghiên cứu ―Sử dụng
năng lƣợng mặt trời để nấu ăn và cung cấp nƣớc nóng cho sinh hoạt – một giải pháp
tiết kiệm năng lƣợng và bảo vệ môi trƣờng‖.[7] Công trình đã thể hiện đƣợc phƣơng
pháp lắp đặt và so sánh về tính hiệu quả kinh tế. Tuy nhiên, cần làm rõ hơn những
nơi có thế áp dụng và đƣa ra phân tích rõ ràng theo từng vùng miền với mức năng
lƣợng có thể khai thác khác nhau.
Hình 1. 5 Hình ảnh bếp nấu dùng năng lượng mặt trời.
1.2.5 Quá trình vô trùng nƣớc bằng năng lƣợng mặt trời
Việc vô trùng nƣớc bằng năng lƣợng mặt trời có thể đƣợc thực hiện bằng các hộp
thu năng lƣợng mặt trời gồm một khung gỗ có phủ một lớp màng mỏng đƣợc sơn
đen để tập trung nhiệt lƣợng từ ánh nắng mặt trời. Phía trong có một cái bình để
đựng nƣớc. Nhiệt lƣợng thu đƣợc từ ánh nắng mặt trời sẽ đun nƣớc tới khoảng 65 độ
C sau vài chục phút và sau đó nƣớc sẽ đƣợc vô trùng. Một hộp năng lƣợng mặt trời
nhƣ vậy có thể vô trùng đƣợc khoảng 4 lít nƣớc trong vòng 3 tiếng đồng hồ.
Phƣơng án này đã đƣợc Viện Khoa học Công nghệ Môi trƣờng Liên bang Thụy Sỹ
(EAWAG) và Trung tâm Nghiên cứu nƣớc và vệ sinh môi trƣờng cho các cƣớc đang
phát triển ở Thụy Sỹ (SANDEC) nghiên cứu từ năm 1991 và đƣợc phân tích rõ
trong tài liệu [7]. Trung tâm Nƣớc sạch và Vệ sinh môi trƣờng nông thôn (Cerwass)
đã triển khai kêu mọi ngƣời sử dụng phổ biến thông qua dự án ―Thúc đẩy và lan
rộng phƣơng pháp xử lý vi sinh vật trong nƣớc bằng ánh sáng mặt trời‖ công văn số
1131/DP/AIDS-MT, ngày 27/07/2005. [8]
5