XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT ĐẦU RA CỦA CÁC NGUỒN ĐIỆN HỖN HỢP GIÓ VÀ PIN NHIÊN LIỆU
1. Lý do chọn đề tài
Hiện nay, chiến lược phát triển các nguồn năng lượng mới và tái tạo, nâng cao khả năng sử dụng hiệu quả và tiết kiệm năng lượng là xu thế chung để giải quyết vấn đề phát triển năng lượng bền vững, bảo vệ môi trường.
Nguồn năng lượng gió và nguồn pin nhiên liệu là dạng nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường, đồng thời tiềm năng về trữ lượng các loại năng lượng này ở nước ta vô cùng rất lớn. Sự phát triển nhanh chóng của nguồn phát điện gió đang đặt ra nhiều khó khăn, thách thức lớn đến chất lượng điện và sự ổn định của hệ thống điện. Do công suất đầu ra của nguồn điện gió luôn không ổn định, tỉ lệ bậc ba với tốc độ gió. Sự thay đổi này sẽ tác động xấu đến chất lượng điện năng và tính ổn định của hệ thống điện. Vì vậy, cần một giải pháp kinh tế, kỹ thuật để ổn định công suất đầu ra cho nguồn điện gió.
Xây dựng một hệ thống điều khiển hỗn hợp gồm máy phát điện turbine gió kết hợp với hệ thống pin nhiên liệu để ổn định công suất công suất đầu ra của nhà máy điện gió đáp ứng với sự thay đổi công suất yêu cầu của điều độ. Đây là giải pháp có quan trọng, mang tính cấp thiết đối với hệ thống điện gió hiện nay và xu thế phát triển năng lượng gió trong tương lai. Ngoài ra, kết hợp hệ thống này với máy điện phân hydro sử dụng nguồn điện năng dư thừa từ nguồn điện gió để sản xuất hydro để lưu trữ và làm nhiên liệu đầu vào cho pin nhiên liệu như một giải pháp sử dụng năng lượng hiệu quả, linh hoạt và tiết kiệm năng lượng.
2. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu:
Xây dựng hệ thống điều khiển công suất đầu ra của các nguồn điện hỗn hợp gió và pin nhiên liệu
– Nghiên cứu tổng quan về hệ thống điện gió và pin nhiên liệu;
– Nghiên cứu các bộ biến đổi điện tử công suất;
– Nghiên cứu máy điện phân hydro;
– Xây dựng hệ thống điều khiển ổn định công suất đầu ra cho nguồn điện hỗn hợp gió và pin nhiên liệu;
– Tìm hiểu và sử dụng phần mềm Matlab/Simulink để mô phỏng và đánh giá kết quả xây dựng hệ thống.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
3.1.Đối tượng nghiên cứu:
Hệ thống điện gió và pin nhiên liệu
3.2. Phạm vi nghiên cứu:
Điều khiển để hỗn hợp turbine gió SCIG và PEMFC phát công suất theo yêu cầu của lưới
4. Phương pháp nghiên cứu
– Nghiên cứu lý thuyết
+ Xây dựng hệ thống điều khiển
+ Đánh giá kết quả thông qua mô phỏng
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:
5.1. Ý nghĩa khoa học:
Xây dựng hệ thống điều khiển tích hợp các nguồn điện hỗn hợp gió và pin nhiên liệu đáp ứng nhu cầu tải liên tục trong các điều kiện khác nhau. Sử dụng pin nhiên liều kết hợp với turbine gió và máy điện phân vừa đảm bảo ổn định công suất đầu ra cho turbin gió tránh các sự cố và tác động xấu đến lưới điện do tính bất động công suất đầu ra của turbine gió, vừa là chiến lược lưu trữ năng lượng dài hạn hoặc ngắn hạn bằng phương pháp sản xuất và lưu trữ khí hydro.
5.2. Tính thực tiễn:
Với sự phát triển nhanh chóng và chiếm tỉ trọng ngày càng cao của nguồn năng lượng tái tạo nói chung và nguồn điện gió nói riêng đã đem đến nhiều thách thức to lớn đối chất lượng điện năng đối với lưới điện phân phối do sự thay đổi liên tục công suất đầu ra của turbine gió. Bên cạnh đó, với chiến lược phát triển nguồn năng lượng tái tạo theo hướng bảo vệ môi trường, sử dụng hiệu quả và tiết kiệm năng lượng thì chiến lược lưu trữ năng lượng trở nên cấp thiết. Xây dựng hệ thống điều khiển tích hợp nguồn năng lượng hỗn hợp gió, pin nhiên liệu kết hợp máy điện phân được coi là giải pháp tối ưu và đáp ứng xu thế phát triển ngành điện hiện nay và trong tương lai.
6. Bố cục luận văn
Bố cục nội dung chính của luận văn gồm các phần sau:
– Mở đầu
– Chương 1: Tổng quan về hệ thống điện gió và pin nhiên liệu
– Chương 2: Mô hình hóa và xây dựng hệ thống điều khiển công suất đầu ra các nguồn điện hỗn hợp gió và pin nhiên liệu
– Chương 3: Mô phỏng và đánh giá kết quả
– Kết luận và kiến nghị
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ VÀ PIN NHIÊN LIỆU
1.1. Năng lượng gió và turbine gió
1.1.1. Khái quát về năng lượng gió
1.1.2. Cấu trúc chung của turbine gió
1.1.3. Chế độ vận hành của turbine gió
1.1.4. Các loại máy phát điện turbine gió
1.1.5. Máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc (SCIG)
1.2. Khái quát chung về pin nhiên liệu
1.2.1. Khái niệm
1.2.2. Phân loại pin nhiên liệu
1.2.2.1. Pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC)
1.2.2.2. Pin nhiên liệu kiềm (Alkaline fuel cell – AFC)
1.2.2.3. Pin nhiên liệu axit Phosphoric (PAFC)
1.2.2.4. Pin nhiên liệu cacbonat nóng chảy (MCFC)
1.2.2.5. Pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC)
1.3. Pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC)
1.3.1. Khái niệm:
1.3.2. Cấu tạo của pin nhiên liệu màng trao đổi proton
1.3.2.1 Màng trao đổi proton (PEM).
1.3.2.2. Lớp xúc tác trong điện cực màng
1.3.2.3. Lớp khuếch tán khí
1.3.2.4. Các tấm lưỡng cực
1.3.2.5. Các kênh dẫn khí
1.3.3. Nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu màng trao đổi proton
1.4. Vai trò của hydro và sản xuất hydro sử dụng máy điện phân
1.4.1. Vai trò của nhiên liệu hydro
1.4.2. Phương pháp sản xuất hydro từ RES
1.5. Kết luận chương 1
Trong chương 1, tác giả đã đi nghiên cứu tổng quan về Hệ thống điện gió và pin nhiên liệu bao gồm các nội dung sau: năng lượng gió; cấu trúc cơ bản, các chế độ vận hành của turbine gió và cấu trúc nguyên lý làm việc của máy phát không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc; Khái quát chung và phân loại pin nhiên liệu, vai trò của hydro và phương pháp sản xuất hydro bằng máy điện phân. Trên cơ sở các nội dung nghiên cứu trên tác giả tập trung nghiên cứu về máy phát SCIG, pin nhiên liệu màng trao đổi proton, máy điện phân màng trao đổi proton làm cơ sở để xây dựng các nội dung ở chương 2 và 3
MÔ HÌNH HÓA VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT ĐẦU RA CÁC NGUỒN ĐIỆN HỖN HỢP GIÓ VÀ PIN NHIÊN LIỆU
2.1. Mô hình hóa
2.1.1. Mô hình hóa turbine gió và máy phát
2.1.1.1. Mô hình hóa turbine gió
2.1.1.2. Hệ thống trục và hộp số
2.1.1.3. Mô hình hóa máy phát không đồng bộ rô to lồng sóc (SCIG)
Sơ đồ thay thế của SCIG quy về phía stator như hình 2.4 [3,] và theo định luật bảo toàn năng lượng công suất đầu ra của máy phát:
(2.13)
(2.15)
Từ hình 2.4, với thành phần Lm lớn ta tính được dòng điện phía stator và rotor như biểu thức 2.17 [7]
| (2.17) |
Giả sử điện áp phía lưới không đổi và máy phát SCIG vận hành với hệ số trượt không đổi s=1%.
Từ công thức 2.13, 2.14 và 2.17 công suất đầu ra của máy phát điện gió SCIG được tính như biểu thức (2.18):
| (2.18) |
Vậy từ (2.2) – (2.18) ta mô hình hoá turbine gió hình 2.5 với các thông số mô phỏng ở Bảng 2.2. Mô hình máy phát điện SCIG trên Matlab/ Simulink được mô phỏng trên hình 2.5
F:\DỮ LIỆU COP CỦA CHỊ YẾN\DAI HOC DA NANG\KY THUAT HOA HOC\KY THUAT DIEN\LOP QUANG NAM 39+40\LOP QUANG NAM 39+40\R.R.TRAN DUC THANG\SAU BAO VE (TT IN màu)\TOM TAT
