tính toán dung lượng ắc quy và số lượng pin mặt trời

Mục Lục
NHẬN XÉT : .............................................................................................................................................. 2
Chương I : đo đạc phụ tải và công suất pin mặt trời : ..................................................................... 3

I.
1.

Thông số phụ tải : ........................................................................................................................... 3
a.

Phòng bộ môn cung cấp điện (107B1) : ..................................................................................... 3

b.

Phòng quản lý vườn ươm (phòng 08): ....................................................................................... 4
Thông số về cường độ bức xạ mặt trời : ........................................................................................ 5

2.

Chương 2 : tính toán số lượng pin mặt trời, chọn dung lượng ắc quy: ...................................... 6

II.
1.

Lựa chọn pin mặt trời : .................................................................................................................. 6

2.

Lựa chọn ắc quy: ............................................................................................................................ 7

3.

Thuật toán tính toán số lượng pin mặt trời : ................................................................................ 8

4.

Tính toán chi phí : ........................................................................................................................ 10
a.

Hệ thống pin mặt trời : ............................................................................................................. 10

b.

Hệ thống ắc quy : ...................................................................................................................... 11
Lựa chọn dung lượng ắc quy và số lượng pin mặt trời theo chi phí : ....................................... 11

5.

Chương ba : Mô phỏng hệ thống microgrid ............................................................................... 12

III.
1.

Bộ nguồn năng lượng mặt trời : .................................................................................................. 13

2.

Bộ biến đổi DC-DC Buck - MPPT :............................................................................................ 14
a.

cấu hình bộ Buck : .................................................................................................................... 14

b.

Thuật toán xác định điểm làm việc cực đại (MPPT) – P&O : ............................................... 15
Bộ biến đổi DC-DC Boost - điều khiển trượt : ........................................................................... 17

3.

4.

a.

cấu hình bộ Boost : ................................................................................................................... 17

b.

điều khiển trượt : ...................................................................................................................... 18
Bộ nghịch lưu áp :......................................................................................................................... 20

1


NHẬN XÉT :
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..

……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………

2


I. Chương I : đo đạc phụ tải và công suất pin mặt trời :
1. Thông số phụ tải :
a. Phòng bộ môn cung cấp điện (107B1) :
Việc đo lường thông số phụ tải được tiếp cận theo hướng ghi nhận giá trị điện năng
tiêu thụ trên đồng hồ điện (Fluke 345 PQ clamp meter) tại nơi khảo sát .
Các thiết bị điện được liệt kê trong phòng bộ môn cung cấp điện bao gồm :
Thiết bị
Đèn huỳnh quang

Bóng đèn chữ U
Điều hòa
Máy tính
Máy in
Quạt thông gió
Quạt tường

Số lượng (cái)
11
1
1
3
1
1
3

Công suất (W)
30
10
750
110
250
50
60

Tổng công suất(W)
330
10
750
330

250
50
180

Số liệu đo đạc trung bình trong một ngày làm việc bình thường:
Giờ
00:00:23
01:00:23
02:00:23
03:00:23
04:00:23
05:00:23
06:00:23
07:00:23
08:00:23
09:00:23
10:00:15
11:00:15
12:00:15
13:00:15
14:00:15
15:00:15
16:00:15
17:00:23

U(V)
219.7
218.3
217.2
218.6

213.7
214.8
217
216.8
215.5
215.7
216.9
215.6
218.5
216
217
215.7
219.3
219.7

I(A)
0.52
0.5
0.51
0.51
0.5
0.49
0.49
0.5
8.81
8.87
8.59
7.22
6.44
5.86

0.36
0.44
0.39
0.48

P(W)
66
65
65
65
63
63
65
65
1752
1774
1710
1488
1367
1250
18
18
18
29

Q(VAr)
-93
-88
-90
-90

-86
-85
-85
-87
735
719
741
461
321
196
-77
-94
-84
-101

S(VA)
114
110
111
112
107
107
108
109
1900
1915
1864
1558
1408
1266

79
96
87
106

PF
0.576
0.593
0.581
0.583
0.59
0.595
0.601
0.593
0.921
0.926
0.916
0.954
0.972
0.987
0.228
0.187
0.214
0.281

3


18:03:23
19:00:23

20:00:23
21:00:23
22:00:23
23:00:23

217.4
218.6
216.8
221
219.6
221.5

0.49
0.48
0.47
0.48
0.48
0.47

29
29
18
18
18
18

-102
-100
-101
-106

-103
-103

107
105
103
108
105
105

0.274
0.277
0.177
0.17
0.173
0.175

Đồ thị tiêu thụ công suất của phụ tải :

b. Phòng quản lý vườn ươm (phòng 08):
Các thiết bị điện được liệt kê trong phòng bộ môn cung cấp điện bao gồm :
Thiết bị
Công suât
Số lượng
Tổng công suất
Đèn huỳnh quang
20
8
160
Máy lạnh

1100
1
1100
Máy tính
120
2
240
Số liệu trong một ngày làm việc bình thường :

Giờ
00:00:23
01:00:23
02:00:23
03:00:23
04:00:23

U(V)
227.5
227.6
229.6
230.6
230.8

I(A)
0.92
0.92
0.91
0.92
0.91

P(W)
139
139
139
142
139

Q(VAr)
-155
-155
-156
-157
-155

S(VA)
210
210
210
214
210

PF
0.661
0.661
0.659
0.662
0.66

4

05:00:23
06:00:23
07:00:23
08:00:23
09:00:23
10:00:15
11:00:15
12:00:15
13:00:15
14:00:15
15:00:15
16:00:15
17:00:23
18:03:23
19:00:23
20:00:23
21:00:23
22:00:23
23:00:23

229.2
227.9
233.2
225.8
223.1
223.9
228.1
227.7
224.6

226.1
225.9
226.9
229.3
233.2
234.5
232.4
233.6
230.6
237.7

0.91
0.89
0.83
10.23
8.98
8.87
9.03
8.91
8.77
9.48
9.16
9.4
0.83
0.86
0.9
0.92
1.03
1.05
1.03

139
135
129
2001
1850
1822
1885
1852
1833
1972
1903
1960
131
139
144
144
164
164
164

-154
-153
-144
1155
774
796
829
829
723

843
815
843
-137
-146
-157
-158
-179
-180
-183

211
204
194
2311
2005
1988
2060
2030
1971
2145
2071
2134
191
203
214
214
243
244
246

0.66
0.662
0.664
0.865
0.921
0.915
0.914
0.912
0.929
0.918
0.918
0.917
0.687
0.683
0.675
0.673
0.673
0.671
0.667

Đồ thị tiêu thụ của phụ tải trong ngày

2. Thông số về cường độ bức xạ mặt trời :
Do việc đo lường thông số về cường độ bức xạ đòi hỏi cần phải có dụng cụ , thiết bị
chuyên dụng , khảo sát kĩ lưỡng và cần có thời gian để ghi dữ liệu của cường độ bức xạ
trong suốt một năm. Nhưng trong phạm vi luận văn tốt nghiệp , không thể đáp ứng được

5

những yêu cầu này. Do đó, toàn bộ số liệu về bức xạ mặt trời được lấy từ dữ liệu có sẵn
đã được đo lường và kiểm chứng.
Số liệu được lấy từ bộ môn năng lượng , khảo sát theo giờ trong suốt một năm tại trường
đại học Bách Khoa.

công suất pin mặt trời
140
120

công suất W/m2

100
80
60
40
20

1
267
533
799
1065
1331
1597
1863
2129
2395
2661
2927

3193
3459
3725
3991
4257
4523
4789
5055
5321
5587
5853
6119
6385
6651
6917
7183
7449
7715
7981
8247
8513

0

II.
1.

Chương 2 : tính toán số lượng pin mặt trời, chọn dung lượng ắc quy:
Lựa chọn pin mặt trời :

6


Pin mặt trời được lựa chọn là loại RNG-250D của hãng RENOGY , tấm pin đáp ứng tốt
với các yêu cầu kĩ thuật mà giá thành lại không quá đắt.
Các thông số kĩ thuật của tấm pin được thể hiện trong bảng sau :
Tên sản phẩm
RNG-250D
Công suất cực đại tại STC
250W
Điện áp MPP (Vmpp)
30.1V
Dòng điện MPP (Impp)
8.32A
Điện áp hở mạch (Voc)
37.5V
Cường độ dòng điện nắng mạch (Isc)
8.87A
Điện áp cực đại
600VDC
Dòng định mức của cầu chì
15A
Nhiệt độ NOCT
47+/-2
Hệ số nhiệt của Pmax
-0.44%/
Hệ số nhiệt của Voc
-0.3%/
Hệ số nhiệt của Isc
0.04%/

2. Lựa chọn ắc quy:
Vì các phụ tải đều là phụ tải trường học có thời gian sử dụng ban đêm không quá
nhiều, và sự dụng thiết bị không có dòng khởi động lớn nên ta đặt ắc quy có số giờ
dự trữ là t giờ , và công suất bộ lưu điện lớn hơn 1,5 lần tổng công suất tải.
Ta có tổng công suất tải là khoảng : 3400W
Do đó công suất lưu điện là : 1,5x3400 = 5100 W

7


Ta có dung lượng ắc quy là :

=

7285t

3. Thuật toán tính toán số lượng pin mặt trời :
Thuật toán hướng đến khả năng cung cấp cho tải một cách tin cậy, đưa ra kết quả là mối
quan hệ của số lượng pin mặt trời cần lắp đặt và dung lượng ắc quy lưu trữ để đảm bảo
cung cấp 100% lượng điện năng của tải yêu cầu
Giải thuật được thể hiện trong hai lưu đồ sau :

8


Toàn bộ thuật toán xác định số lượng pin mặt trời

Trong đó :
ES : lượng tích trữ trong ắc quy
: công suất pin mặt trời

: công suất tải tiêu thụ
Emax, Emin : lần lượt là khã năng lưu trữ cực đại và cực tiểu của ac quy
n : số tấm pin mặt trời
9


T : tổng số giờ cung cấp
Thuật toán cho phép ta lựa chọn dung lượng ắc quy cho trước để tính toán số lượng pin
mặt trời phù hợp đủ để cung cấp đầy đủ cho tải ở mọi điều kiện.
Sau đây là một số kết quả sau khi thực hiện thuật toán với các giá trị dung lượng ắc quy
theo thời gian dự trữ khác nhau .
T(giờ)
E
(kWh)
n

1
2
3
4
5
6
7
7.285 14.57 21.855 29.14 36.425 43.71 50.995
21

18

16

15

14

14

13

8
58.3

9
65.6

10
72.85

13

13

12

4. Tính toán chi phí :
a. Hệ thống pin mặt trời :
Ta sẽ tính toán chi phí lắp đặt, bão dưỡng của hệ thống trên 1kW trong khoảng thời
gian 20 năm.
Tấm pin được chọn là RNG-250D , có công suất là 250W. Do đó ta cần 4 tấm pin
để đạt công suất là 1kW.
Ta có công thức như sau :

=

(

+

+ 20

)

Trong đó :
: chi phí cho 1kW công suất pin mặt trời ($)
: cống suất tấm pin ở điều kiện tiêu chuẩn (kW)
: giá một tấm pin mặt trời ($)
: giá thiết bị phụ trợ (không tính inverter) ($)
: chi phí bảo dưỡng một năm ($/năm)
Qua khảo sát giá bán thị trường :
- giá mỗi tấm pin là : 300$
- giá phụ kiện (bệ đỡ, dây cáp, đầu nối) : 70$
-chi phí bảo trì hằng năm : 30$
Từ đây ta có chi phí cho 1kW của pin mặt trời trong 20 năm hoạt động như sau :
10


=

(300 + 70 + 20x30) = 3880 $

b. Hệ thống ắc quy :

Ta sẽ tính toán chi phí lắp đặt và vận hành cũng trong suốt quá trình sống tương
ứng với 1kWh lưu trữ của bộ ắc quy.
Giả thiết bộ ắc quy có thời gian vận hành là 10 năm , nên tá có biểu thức chi phí
của hệ thống lưu trữ trong 20 năm như sau :
= 10 (

)

Trong đó :
: chi phí cho 1kWh công suất đặt bộ lưu trữ dự phòng ($)

: giá của 1kWh dung lượng ắc quy ($)
: giá các thiết bị phụ trợ ($)
: chi phí duy trì và bảo dưỡng mỗi năm ($/năm)
Theo tham khảo từ thị trường thì bộ lưu trữ dự phòng loại lead-acid trong tầm
giá khoảng 60-80$ /kWh.
Do đó ta giả sử :
- Giá của mỗi kWh :
= 65 $
- Giá của phụ kiện :
= 15 $
- Chi phí bảo trì :

=5$

Từ đó ta có chi phí cho mỗi 1kWh trong suốt 20 năm của một bộ ắc quy là :
= 10(65+15+2x5) = 900 $
5. Lựa chọn dung lượng ắc quy và số lượng pin mặt trời theo chi phí :
Từ các tính toán và giả thuyết ta có các dữ kiện sau :
- Chi phí cho mỗi 1kWh của pin mặt trời và ắc quy lần lượt là :

= 3880 $ ;
= 900 $

= 0.25 kW
- Thời gian hoạt động của hệ thống : 20 năm
Từ đó , chi phí của toàn bộ hệ thống là :
C=
+
=
+
- Công suất mỗi tấm pin mặt trời :

11


Kết hợp với các kết quả tính toán số lượng pin mặt trời và dung lượng lưu trữ của ắc
quy , ta có bảng chi phí sau :

T(hour)
1
E
7.285
(kWh)
n
21
cost

2
14.57

3
21.855

4
29.14

5
36.425

7
50.995

10
72.85

18

16

15

14

13

12

26926 30573 35189.5 40776 46362.5 58505.5

77205

Kết luận :
Với tải được đo là tải sử dụng ở trường học, chủ yếu hoạt động vào bàn ngày khi mà
có pin mặt trời cung cấp đủ, nên ta chọn số giờ lưu trữ là 4 tiếng vào ban đêm . Tức
ắc quy có dung lượng khoảng 30kWh và 15 tấm pin mặt trời
III. Chương ba : Mô phỏng hệ thống microgrid

Hệ thống microgrid trong khuôn khổ luận văn bảo 3 hai thành phần chính :
- Nguồn cung cấp : pin mặt trời
- Các bộ biến đổi DC-DC bao gồm bộ Buck và bộ Buck-Boost để nạp xả cho ắc
quy
- Bộ inverter để cấp cho tải AC
Hệ thống có cấu hình cơ bản như sau :

12


1. Bộ nguồn năng lượng mặt trời :

- Với 15 tấm pin chọn cách bố trí 5 nhánh song song, mỗi nhánh nối tiếp 3 tấm pin
- Đặc tính điện áp , dòng điện và công suất của hệ thống pin mặt trời :

13


Ta nhận thấy tại điểm công suất cực đại ở điều kiện tiêu chuẩn của tấm pin mặt trời
là xấp xỉ 30.2V
Với cấu hình đã chọn ta có áp ngõ ra là 90.11V và dòng ngõ ra là 40.08 A. Với
điện áp ngõ ra bộ Buck là khoảng 48-52V , tùy thuộc SOC của ắc quy. Khi đó điện
áp ngõ vào có giá trị trong khoảng 80-104V, tương ứng với cấu hình nối tiếp 3 tấm

pin như đã nói ở trên.

2. Bộ biến đổi DC-DC Buck - MPPT :
a. cấu hình bộ Buck :
Ta cần nâng điện áp đầu ra của pin mặt trời vào khoảng 92 VDC xuống 48VDC để
cung cấp trực tiếp cho ắc quy, đồng thời đóng cắt bộ điều khiển để pin mặt trời hoạt
động ở điểm MPP . Do đó , lựa chọn bộ Buck vì có cấu hình đơn giản và đáp ứng tốt
yêu cầu đặt ra.

Ta phân tích nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi DC-DC Buck với các giả thiết
sau : mạch vận hành ở xác lập, dòng qua cuộn kháng liên tục, giá trị tụ lớn, chu kì
đóng cắt T với thời gian đóng là DT, thời gian ngắt là (1-D)T.
Khi đó ta có :
- Quan hệ giữa điện vào ngõ vào và ngõ ra :
- Để dòng qua L liên tục thì :

=

xD

14


=
- Giá trị tụ C ảnh hưởng đến độ nhấp nhô theo công thức:

=
Dựa trên cấu trúc trên lý thuyết ta có mô hình mô phỏng trên simulink :

b. Thuật toán xác định điểm làm việc cực đại (MPPT) – P&O :

Đây là một phương pháp đơn giản và được sử dụng thông dụng nhất nhờ sự đơn
giản trong thuật toán và việc thực hiện dễ dàng. Thuật toán này xem xét sự tăng,
giảm điện áp theo chu kỳ để tìm được điểm làm việc có công suất lớn nhất.

15


Nếu sự biến thiên của điện áp làm công suất tăng lên thì sự biến thiên tiếp theo
sẽ giữ nguyên chiều hướng tăng hoặc giảm. Ngược lại, nếu sự biến thiên làm
côngsuấtgiảm xuống thì sự biến thiên tiếp theo sẽ có chiều hướng thay đổi ngược lại
Nhược điểm chính của phương pháp này là không tìm được chính xác điểm
làmviệc có công suất lớn nhất khi điều kiện thời tiết thay đổi. Đặc điểm của phương
pháp này là phương pháp có cấu trúc đơn giản nhất nhất và dễ thực hiện nhất, trong
trạng thái ổn định điểm làm việc sẽ dao động xung quanh điểm MPP, gây hao hụt
một phần năng lượng. Phương pháp này không phù hợp với điều kiện thời tiết thay
đổi thường xuyên và đột ngột.

16


3. Bộ biến đổi DC-DC Boost - điều khiển trượt :
a. cấu hình bộ Boost :
Boost Converter là bộ biến đổi nguồn DC-DC có điện áp đầu ra lớn hơn điện áp
đầu vào. Nó chứa ít nhất hai chuyển mạch bán dẫn (một diode và một transistor) và ít
nhất một phần tử tích lũy năng lượng, một tụ điện, một cuộn dây hoặc cả hai

Ta phân tích nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi DC-DC Buck với các giả thiết
sau : mạch vận hành ở xác lập, dòng qua cuộn kháng liên tục, giá trị tụ lớn, chu kì
đóng cắt T với thời gian đóng là DT, thời gian ngắt là (1-D)T.

Khi đó ta có :
- Quan hệ giữa điện vào ngõ vào và ngõ ra :

=

- Để dòng qua L liên tục thì :

=
- Giá trị tụ C ảnh hưởng đến độ nhấp nhô theo công thức :

=

Dựa trên cấu trúc trên ta có mô phỏng trên simulink :

17


b. điều khiển trượt :

Áp dụng luật Kirchoff cho hai vị trí chuyển mạch của sơ đồ ta thu được các hệ
phương trình vi phân tổng quát mô tả mạch:
{
Q= √

Với cách đặt :
= √ i

u=1=

d =

√

18


Ta có hệ phương trình vi phân mô tả mạch bởi các biến

,

:

̇
{
̇

Mục tiêu điều khiển là điện áp ra của bộ biến đổi đạt giá trị hằng hoặc để tiếp cận
với một tín hiệu mẫu cho trước. Điện áp ra mong muốn đạt V*d. Khi đó các giá trị
cân bằng là các hằng số, đạo hàm theo thời gian của các biến trạng thái bằng 0. Vì
vậy, đầu vào điều khiển tương đương cũng phải là hằng số, nghĩa là
=U=constant, ta có các giá trị cân bằng:
=
Với :

=

Khi đó : =

=>

,

=

,

=

, U=

=

Với việc phân tích điều khiển trực tiếp với mặt trượt h(x) =
nên ta chọn điều khiển gián tiếp qua mặt trượt h(x) =
Từ đó ta có luật đóng mở u :

-

sẽ không ổn định

u={

Hay :

u= [

]

19

4. Bộ nghịch lưu áp :
Để cung cấp năng lượng cho các tải, hệ thống cần có bộ nghịch lưu, do công suất
thiết kế không quá lớn (10 kW) ta sử dụng bộ nghịch lưu áp một pha. Cấu trúc bộ
nghịch lưu được trình bày theo hình dưới:

Điện áp một chiều ở ngõ vào được chuyển thành xoay chiều nhờ module cầu H tạo
ra các mức điện áp âm. Các khóa công suất S1, S2 và S3, S4 được kích đối nghịch.
Khi S1 và S4 được kích đóng, điện áp ngõ ra sẽ dương. Ngược lại khi S2 và S3
được kích đóng, điện áp ngõ ra sẽ âm. Khi S1 và S3 hoặc S2 và S4 cùng được kích
đóng, điện áp ngõ ra sẽ bằng 0.
Từ đó ta có bảng điện áp ngõ ra của inverter tương ứng với các trạng thái đóng cắt
(trạng thái “1” tương ứng với khóa đóng và “0” tương ứng với khóa ngắt).

20


Output voltage
(V)
0
0
-

S1
1
1
0
0

Switching state

S2
S3
0
0
0
1
1
0
1
1

S4
1
0
1
0

21