Nghiên cứu thuật toán xác định và duy trì điểm làm việc cực đại của hệ thống điện mặt trời nối lưới

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
-----------------o0o------------------

NGUYỄN THỊ LAN

NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN XÁC ĐỊNH VÀ DUY
TRÌ ĐIỂM LÀM VIỆC CỰC ĐẠI CỦA HỆ THỐNG
ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

KHOA CHUYÊN MÔN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TRƯỞNG KHOA

PGS.TS. Lại Khắc Lãi
PHÒNG ĐÀO TẠO

THÁI NGUYÊN 2016
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




i

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Nguyễn Thị Lan
Sinh ngày 03 tháng 9 năm 1988
Học viên lớp cao học khóa 16 - Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên
Hiện đang công tác tại Khoa Điện - Điện tử Trường Cao đẳng nghề kinh
tế kỹ thuật Bắc Ninh
Tôi xin cam đoan: Bản luận văn: “Nghiên cứu thuật toán xác định và
duy trì điểm làm việc cực đại của hệ thống điện mặt trời nối lưới” do thầy giáo
PGS.TS Lại Khắc Lãi hướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các
tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Các số liệu, kết quả trong
luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng ai công bố trong bất kỳ công
trình nào khác. Nếu sai tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.

Bắc Ninh, Ngày 12 tháng 03 năm 2016
Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Lan

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




ii

LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian nghiên cứu, được sự động viên, giúp đỡ và hướng dẫn
tận tình của thầy giáo PGS.TS Lại Khắc Lãi, luận văn với đề tài “Nghiên cứu
thuật toán xác định và duy trì điểm làm việc cực đại của hệ thống điện
mặt trời nối lưới” đã hoàn thành. Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến:
Thầy giáo hướng dẫn PSG. TS Lại Khắc Lãi đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ

tác giả hoàn thành luận văn này.
Phòng quản lý đào tạo sau đại học, các thầy giáo, cô giáo Khoa Điện
trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã giúp đỡ tác giả trong suốt
quá trình học tập cũng như trong quá trình nghiên cứu đề tài.
Toàn thể các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình và người thân đã quan
tâm, động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận
văn.
Bắc Ninh, Ngày 12 tháng 03 năm 2016
Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Lan

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




iii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




iv

MỤC LỤC

MỤC LỤC ..................................................................................................................... iv
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ i

LỜI CẢM ƠN................................................................................................................. ii
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ..................................................... iv DANH
MỤC CÁC BẢNG ............................................................................................ ix DANH
MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ.................................................................. xi MỞ ĐẦU
.........................................................................................................................1
1.
Tính
cấp
thiết
tài...............................................................................................1
2.
Ý
nghĩa
khoa
học
.....................................................................................2

của

và

thực

đề
tễn

Ý
nghĩa
khoa
.............................................................................................................2

học

Ý
nghĩa
thực
.............................................................................................................2

tễn

3.
Mục
têu
nghiên
....................................................................................................2

cứu

4.
Đối
tượng
nghiên
..................................................................................................2

cứu

5.
Phương
pháp
nghiên

.............................................................................................3

cứu

6.
Tên
đề
.....................................................................................................................3
7.
Bố
cục
luận
...........................................................................................................3

tài
văn

CHƯƠNG 1 .....................................................................................................................4
TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ...........................................................4
1.1.
Nguồn
năng
lượng
......................................................................................4

mặt

1.1.1.
Cấu
trúc

của
.............................................................................................4

mặt

trời
trời

1.1.2.
Năng
lượng
..............................................................................................5

mặt

trời

1.1.3.

xạ

mặt

Phổ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

bức

v
trời................................................................................................6
1.1.4. Đặc điểm của bức
................................................8

xạ

mặt

trời

trên

1.1.4.1.
Phổ
bức
xạ
............................................................................................8

bề

mặt

quả

mặt

đất
trời

1.1.4.2. Sự giảm năng lượng mặt trời phụ thuộc vào độ dài đường đi của ta sáng qua
lớp
khí
quyển(
air
mass).
...............................................................................................11
1.1.4.3.
Cường
độ
bức
xạ
gian............................................12
1.1.4.4. Cường độ bức
........................................13

xạ

mặt

mặt

trời

trời
biến

biến

đổi

theo

thời

đổi

theo

không

gian

năng

lượng

mặt

1.2. Các phương pháp
trời.....................................14

khai

thác,

sử

dụng

1.2.1. Sử dụng hệ thống
lập.............................15

điện

năng

lượng

mặt

trời

làm

việc

1.2.1.1.
Pin
mặt
.......................................................................................................15
1.2.1.2. Nhà máy nhiệt
...........................................16

điện

sử

dụng

năng

lượng

độc
trời

mặt

trời.

1.2.1.3. Thiết bị sấy khô dùng NLMT ...........................................................................16

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




vi
1.2.1.4. Thiết bị chưng cất nước sử dụng NLMT..........................................................17
1.2.1.5. Động cơ strling chạy bằng NLMT ..................................................................17
1.2.1.6. Bếp nấu dùng NLMT........................................................................................18
1.2.1.7. Thiết bị đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời...........................................20
1.2.1.8. Thiết bị làm lạnh và điều hòa không khí dùng NLMT.....................................21
1.2.2. Hướng nghiên cứu cho việc sử dụng Năng lượng mặt trời .................................21
1.3. Kết luận chương 1 ..................................................................................................24
CHƯƠNG 2 ...................................................................................................................25
THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT TRONG VIỆC KHAI THÁC NĂNG LƯỢNG MẶT
TRỜI.....................................................................................................25

2.1. Các linh kiện điện tử thông dụng sử dụng trong hệ thống điện mặt trời nối lưới
..25
2.1.1. Điện trở
................................................................................................................25
2.1.2. Tụ điện .................................................................................................................27
2.1.3. Diode bán dẫn.
.....................................................................................................28
2.1.3.1. Cấu tạo, kí hiệu .................................................................................................28
2.1.3.2. Đặc tuyến V-A..................................................................................................29
2.1.3.3. Các tham số cơ bản của Diode: Chia làm hai nhóm.........................................29
2.1.3.4. Phân loại
...........................................................................................................30
2.1.4. Transistor lưỡng cực( Transistor Bipolar) ...........................................................30
2.4.1.1. Cấu tạo
..............................................................................................................30
2.1.4.2. Nguyên lý làm việc...........................................................................................31
2.1.4.3. Các tham số cơ bản...........................................................................................33
2.1.5. Transistor Trường< FET > (Field Efect Transistor) ..........................................33
2.1.5.1. Tranzitor trường có cực cửa tếp giáp JFET.....................................................34
2.1.5.2. Tranzitor trường có cực cửa cách ly MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor
FET) ...............................................................................................................................36
2.1.6. Thysistor ..............................................................................................................38
2.1.6.1. Cấu tạo, nguyên lý làm việc .............................................................................38
2.1.6.2. Đặc tuyến V- A.................................................................................................40
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




vi

i lưới..........................................................40
2.2. Cấu trúc của hệ thống điện mặt trời nối
2.2.1. Sơ đồ khối hệ thống
.............................................................................................40
2.2.2. Điều khiển trong hệ thống điện mặt trời nối lưới
................................................41
2.3. Pin mặt trời (PV-Photovoltaic)................................................................................41
2.3.1. Khái niệm.............................................................................................................41

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




vi
2.3.2. Mô hình toán và đặc tính làm việc của pin mặt trời ............................................42
2.4. Bộ biến đổi một chiều - một chiều (DC-DC).........................................................45
2.4.1. Chức năng
............................................................................................................45
2.4.2. Các loại bộ biến đổi DC/DC................................................................................46
2.4.2.1. Bộ biến đổi DC/DC không cách ly...................................................................46
2.4.2.2. Bộ biến đổi DC- DC có cách ly........................................................................51
2.4.3. Điều khiển bộ biến đổi DC-DC ...........................................................................51
2.4.3.1. Mạch vòng điều khiển điện áp..........................................................................51
2.4.3.2. Mạch vòng điều khiển dòng điện .....................................................................52
2.5. Nghịch lưu nối lưới (Inverter) ................................................................................53
2.5.1. Các phép chuyển đổi ...........................................................................................54
2.5.1.1. Biến đổi hệ thống ba pha sang 2 pha
................................................................54
2.5.1.1. Chuyển đổi hệ thống một pha sang hai

pha......................................................56
2.5.2. Điều chế độ rộng xung (PWM - Pulse Width Modulaton) ................................57
2.5.2.1. Điều chế độ rộng xung dựa trên sóng mang (CB-PWM) .................................58
2.5.2.2. Điều chế véc tơ không gian (SVM) ...............................................................59
2.5.3. Điều khiển chuyển đổi DC-AC ...........................................................................60
2.5.3.1. Bộ điều khiển PI ...............................................................................................61
2.5.3.2. Bộ điều khiển cộng hưởng tỉ lệ (PR - Proportonal Resonant) ........................63
2.5.3.3. Bộ điều khiển phản hồi trạng
thái.....................................................................63
2.6. Lý thuyết về hòa hệ thống điện mặt trời nối lưới
...................................................64
2.6.1. Các điều kiện hòa đồng bộ ..................................................................................64
2.6.1.1. Điều kiện về tần số ...........................................................................................64
2.6.1.2. Điều kiện về điện áp .........................................................................................65
2.6.1.2. Điều kiện về pha ...............................................................................................65
2.6..2. Đồng vị pha trong hai hệ thống lưới...................................................................65
2.7. Kết luận chương 2 ..................................................................................................66
CHƯƠNG 3 ...................................................................................................................67
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




vi
THUẬT TOÁN XÁC ĐỊNH VÀ DUY TRÌ ĐIỂM LÀM VIỆC CỰC ĐẠI CỦA HỆ
THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI .......................................................................67
3.1. Khái niệm ...............................................................................................................67
3.2. Thuật toán dò điểm công suất tối đa của pin mặt trời (MPPT - Maximum Power
Point Tracking) ..............................................................................................................69
3.2.1. Thuật toán điện áp không đổi (CV – Constant Voltage) .....................................69

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




vii
3.2.2. Thuật toán xáo trộn và quan sát (P&O - Perturb and Observe) ..........................69
3.2.3. Thuật toán độ dẫn gia tăng (INC - Inremental Conductance) .............................70
3.2.4. Thuật toán điện dung ký sinh (PC – ParasitcCapacitance) ................................70
3.3. Ứng dụng fuzzy logic để xác định và duy trì điểm làm việc công suất cực đại của
hệ thống pin mặt trời
.....................................................................................................71
3.3.1. Tổng quan về logic mờ ........................................................................................71
3.3.2. Thuật toán MPPT sử dụng bộ điều khiển mờ (FLC)..........................................77
3.4. Các kết quả mô phỏng ............................................................................................81
3.5. Kết luận chương 3 ..................................................................................................84
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................................85
1. Kết luận......................................................................................................................85
2. Kiến nghị ...................................................................................................................85
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................87

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




viii

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

STT

Ký hiệu

Chú thích

1

NLMT

2

PMT

Pin mặt trời

3

BĐK

Bộ điều khiển

4

BBĐ

Bộ biến đổi

5

DC-DC

Bộ biến đổi một chiều- một chiểu

6

DC-AC

Bộ biến đổi một chiều- xoay chiều

7

PV

8

MPPT

Maximum Power Point Tracking

9

PWM

Pules- With- Modulation

10

CB- PWM

Carrier Based Pulse With

11

ZSS

12

SVM

13

CC

Current Control

14

VC

Voltage Control

15

VSI

Voltage Source Inverter

16

IN

Cường độ bức xạ mặt trời (w/m )

17

UPV, IPV

18

Igc

Dòng quang điện (A)

19

I0

Dòng bão hòa (A)

20

q

Điện tích của điện tử; q= 1,6.10

21

K

Hằng số Boltzman (J/K)

22

TC

Nhiệt độ làm việc của tế bào quang điện ( K)

23

ID, UD

24

ISC

(Short circuit current): Dòng điện ngắn mạch của PV

25

UOC

Điện áp hở mạch của Pin mặt trời

26

G

Năng lượng mặt trời

Tế bào quang điện

Zero sequence signal
Space vector Modulation

2

Điện áp và dòng điện của dàn pin mặt trời

-19

(C)
0

Dòng điện (A), điện áp trên diode (V)

2

Bức xạ mặt trời (Kw/m )

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




ix
27

D

Hệ số làm việc

28

Ton

Thời gian khóa K mở

29

T

Chu kỳ làm việc của khóa

30

fDC

Tần số đóng cắt

31

IL1, IL2

32

UC1, UC2

33

tK

Dòng điện của cuộn cảm L1, L2
Điện áp trên tụ C1, C2
Thời điểm lấy mẫu

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng

Tên bảng

Trang

Bảng 1.1

Phân bố phổ bức xạ mặt trời theo bước sóng

7

Bảng 1.2

Màu sắc và bước sóng của ánh sáng mặt trời

8

Bảng 3.1

Luật điều khiển cơ bản của FLC

75

Bảng 3.2

Thông số của tấm pin mặt trời

77

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




x

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




xi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình

Tên hình

Trang

Hình 1.1

Cấu trúc mặt trời

5

Hình 1.2

Thang sóng điện từ của bức xạ mặt trời

6

Hình 1.3

Định nghĩa các vĩ tuyến (a) và kinh tuyến (b)

9

Hình1.4

Phổ bức xạ mặt trời bên trong và ngoài bầu khí quyển

10

Hình 1.5

Định nghĩa và cách xác định airmas

12

Hình 1.6

Sơ đồ khối tổng quát của một hệ nguồn điện một chiều

15

Hình 1.7

Pin mặt trời

15

Hình 1.8

Nhà máy sử dụng Năng lượng mặt trời

16

Hình1.9

Lò sấy sử dụng NLMT

16

Hình 1.10

Thiết bị chưng cất nước dùng NLMT

17

Hình 1.11

Động cơ strling chạy bằng NLMT

17

Hình 1.12

Bếp nấu dùng NLMT

18

Hình 1.13

Bình nước nóng Thái Dương Năng

19

Hình 1.14

Thiết bị làm lạnh và điều hòa không khí dùng NLMT

20

Hình 2.1

Điện trở thường

24

Hình 2.2

Điện trở công suất

25

Hình 2.3

Điện trở dán

25

Hình 2.4

Biến trở

26

Hình 2.5

Tụ gốm

26

Hình 2.6

Tụ hoá

27

Hình 2.7

Tụ xoay sử dụng trong Radio

27

Hình 2.8

Cấu tạo và ký hiệu Diode

27

Hình 2.9

Đặc tuyến V- A của Diode

28

Hình 2.10

Cấu tạo và kí hiệu của Transistor BJT

29

Hình 2.11

Phân cực cho Transistor BJT

30

Hình 2.12

Nguyên lý hoạt động của Transistor BJT

30

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




xii
Hình 2.13

Sơ đồ tương đương thay thế của tranzitor dựa theo tham số h

32

Hình 2.14

Cấu tạo và kí hiệu Tranzitor Trường JFET

32

Hình 2.15

Đặc tuyến V- A của JFET

34

Hình 2.16

Cấu tạo và ký hiệu Transistor Trường MOSFET

35

Hình 2.17

Đặc tuyến V- A của JFET

36

Hình 2.18

Cấu tạo và kí hiệu Thysistor

36

Hình 2.19

Đặc tuyến V-A của Thyristor

38

Hình 2.20

Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời nối lưới

38

Hình 2.21

Mạch tương đương của Module PV

40

Hình 2.22

Quan hệ I(U) và P(U) của PV

41

Hình 2.23

a,b,c,d: Họ đặc tính của PV

42

Hình 2.24

Sơ đồ nguyên lý mạch giảm áp Buck

44

Hình 2.25

Sơ đồ nguyên lý mạch Boost

45

Hình 2.26

Sơ đồ nguyên lý mạch Buck – Boost

46

Hình 2.27

Sơ đồ biến đổi Cuk

47

Hình 2.28

Sơ đồ mạch bộ Cuk khi khóa SW mở thông dòng

47

Hình 2.29

Sơ đồ mạch bộ Cuk khi khóa SW đóng

48

Hình 2.30

Bộ chuyển đổi DC- DC có cách ly

49

Hình 2.31

Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển điện áp

50

Hình 2.32

Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng điện

50

Hình 2.33

Chuyển đổi từ hệ tọa độ abc sang tọa độ αβ

52

Hình 2.34

Chuyển đổi từ hệ qui chiếu αβ sang hệ qui chiếu dq

53

Hình 2.35

Cấu trúc của SOGI

54

Hình 2.36

Điều chế độ rộng xung dựa trên song mang hình sin

56

Hình 2.37

Biểu diễn véc tơ không gian của điện áp ra

56

Hình 3.1

Quan hệ I(U) và P(U) của PV

63

Hình 3.2

Đặc tính V-A của tải và của pin mặt trời

64

Hình 3.3

Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời nối lưới sử dụng MPP

64

Hình 3.4

Lưu đồ thuật toán P & Q

65

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




xiii
Hình 3.5

Lưu đồ thuật toán INC

66

Hình 3.6

Độ cao, miền xác định , miền tn cậy của tập mờ

67

Hình 3.7

Các dạng hàm liên thuộc của tập mờ

68

Hình 3.8

Hợp hai tập mờ có cùng tập vũ trụ

69

Hình 3.9

Giao hai tập mờ có cùng tập vũ trũ

69

Hình 3.10

Tập bù

70

Hình 3.11

Các khối chức năng của bộ điều khiển mờ

71

Hình 3.12

Cấu trúc tổng quát của một hệ mờ

72

Hình 3.13

Quan hệ P-U của tấm PV

73

Hình 3.14

Hàm liên thuộc của tập mờ đầu vào 1 €

74

Hình 3.15

Hàm liên thuộc đầu vào 2 (DE)

74

Hình 3.15

Hàm liên thuộc đầu ra (D)

74

Hình 3.17

Quan hệ Vào-Ra của FLC

75

Hình 3.18

Sơ đồ mô phỏng thuật toán MPPT trên Psim

76

Hình 3.19

Đáp ứng hệ thống khi sử dụng thuật toán xáo trộn và quan
sát
Đáp ứng hệ thống khi sử dụng thuật toán điện dẫn gia tăng

77

Hình 3.20
Hình 3.21

của tập mờ A.

Sơ đồ mô phỏng thuật toán MPPT sử dụng điều khiển mờ
trên Matlab và Psim

78
78

Hình 3.22

Sơ đồ khối Psim trong hình 3.21

79

Hình 3.23

Đáp ứng hệ thống khi sử dụng điều khiển mờ

79

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay, các nguồn năng lượng trên trái đất như dầu mỏ, than đá… đang dần
cạn kiệt, không còn để khai thác được nữa. Ngoài ra, những nguồn năng lượng này là
nguyên nhân chính gây ra sự ô nhiễm không khí làm ảnh hưởng đến đời sống con
người.
Trong khi đó, nguồn năng lượng tái tạo khá dồi dào, có khả năng thay thế
nguồn năng lượng hóa thạch, giảm thiểu tác động tới môi trường. Vì vậy, tập trung
nghiên cứu ứng dụng năng lượng tái tạo đang là hướng đi mới trong năng lượng
công nghiệp, nhất là trong thời đại ngày nay vấn đề tiết kiệm năng lượng đang
đặt lên hàng đầu. Việc khai thác năng lượng tái tạo có ý nghĩa quan trọng cả về kinh
tế, xã hội, an ninh năng lượng và phát triển bền vững.
Năng lượng mặt trời là một trong các nguồn năng lượng tái tạo quan trọng
nhất mà thiên nhiên ban tặng cho hành tnh chúng ta. Đồng thời, nó cũng là
nguồn gốc của các nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng gió, năng lượng
sinh khối, năng lượng các dòng sông,… Đó là loại hình năng lượng có khả năng áp
dụng hơn cả tại các khu vực đô thị và các vùng mà điện lưới không vươn đến được
(vùng núi, vùng hải đảo hay các công trình ngoài khơi, …). Năng lượng mặt trời có

thể nói là vô tận, để khai thác, sử dụng nguồn năng lượng này cần phải biết các đặc
trưng và tính chất cơ bản của nó, đặc biệt khi tới bề mặt quả đất.
Ở Việt Nam, năng lượng mặt trời có tềm năng rất lớn, với lượng bức xạ trung
bình 5kw/m²/ngày với khoảng 2000 giờ nắng/năm. Một số liệu của Trung tâm Thông
tn Khoa học Công nghệ Quốc gia cho biết năm 2008 ở Việt Nam mới chỉ có khoảng
60 hệ thống đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời cho tập thể và hơn 5.000
hệ thống cho gia đình. Trên tổng thể, điện mặt trời chiếm 0,009% tổng lượng điện
toàn quốc. Mặc dù, đã có những chính sách khuyến khích, nhưng vì nhiều lý do,
việc phát triển năng lượng mặt trời, vốn đòi hỏi đầu tư ban đầu lớn hơn các dạng
năng lượng truyền thống nên việc sử dụng vẫn còn hạn chế.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




2
Trong những năm gần đây đã có nhiều nghiên cứu, ứng dụng nhằm sản xuất và
tích trữ năng lượng mặt trời, tuy nhiên, việc sử dụng nguồn năng lượng này, chủ yếu
vẫn chỉ dừng lại ở mức cục bộ ( tức là khai thác và sử dụng tại chỗ ), năng lượng dư

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




thừa chưa hòa được lên lưới điện quốc gia (bán trở lại cho lưới điện thông qua đồng
hồ đo để giảm thiểu hóa đơn tền điện ).
Vì vậy, việc nghiên cứu thuật toán xác định và duy trì điểm làm việc cực đại của
hệ thống điện mặt trời nối lưới đang là một vấn đề cấp thiết.
2. Ý nghĩa khoa học và thực tễn

Ý nghĩa khoa học
Khi có ánh sáng mặt trời sẽ tạo ra năng lượng một chiều (DC), Nguồn năng
lượng một chiều này được chuyển đổi thành điện năng xoay chiều (AC) bởi bộ
nghịch lưu. Bộ điều khiển có chức năng truyền năng lượng này đến phụ tải chính để
cung cấp điện cho các thiết bị điện trong gia đình. Đồng thời điện năng dư thừa
được bán trở lại lưới điện qua đồng hồ đo để giảm thiểu hóa đơn tền điện.
Ý nghĩa thực tiễn
Đề tài hoàn thành sẽ là một tài liệu quan trọng để thiết kế hoàn chỉnh hệ thống
lưới điện thông minh (Smart Grid System). Đem lại hiệu quả to lớn trong việc khai
thác và sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng sạch; Ứng dụng tại các nhà máy, xí
nghiệp, khu dân cư sử dụng nguồn năng lượng mặt trời.
Quá trình nghiên cứu sẽ góp phần tăng nguồn tư liệu phục vụ cho công tác học tập
và giảng dạy tại cơ quan nơi học viên công tác.
3. Mục têu nghiên cứu
Đề tài này đặt mục tiêu chính là “ Nghiên cứu thuật toán xác định và duy trì điểm
làm việc cực đại của hệ thống điện mặt trời nối lưới’’
Các mục têu cụ thể:
 Tổng quan về năng lượng tái tạo.
 Thiết kế mạch điện tử công suất trong việc khai thác năng lượng mặt trời.
+ Cấu trúc của hệ thống điện mặt trời nối lưới
+ Vấn đề hòa lưới của hệ thống
 Thuật toán xác định và duy trì điểm làm việc cực đại của hệ thống điện mặt trời
nối lưới
 Viết chương trình và mô phỏng thực nghiệm.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




4. Đối tượng nghiên cứu

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




3
Nghiên cứu nguồn năng lượng mặt trời: Phương pháp sản xuất, sử dụng và hòa
lưới.
Nghiên cứu thuật toán xác định và duy trì điểm làm việc cực đại của hệ thống
điện mặt trời nối lưới.
5. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết
Phân tích đánh giá và hệ thống hóa các công trình nghiên cứu được công bố thuộc
lĩnh vực liên quan: bài báo, tạp chí, sách chuyên ngành…
Nghiên cứu thực tễn
Nghiên cứu thuật toán xác định và duy trì điểm làm việc cực đại của hệ thống
điện mặt trời nối lưới
6. Tên đề tài
“ Nghiên cứu thuật toán xác định và duy trì điểm làm việc cực đại của hệ thống điện
mặt trời nối lưới ” .
7. Bố cục luận văn
Luận văn thực hiện theo bố cục nội dung như sau:
Chương 1: Tổng quan về năng lượng mặt trời.
Chương 2: Thiết kế mạch điện tử công suất trong việc khai thác năng lượng mặt trời
Chương 3: Thuật toán xác định và duy trì điểm làm việc cực đại của hệ thống điện
mặt trời nối lưới.
Kết luận và kiến nghị
Tài liệu tham khảo Phụ
lục

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
1.1. Nguồn năng lượng mặt trời
Năng lượng mặt trời là một trong các nguồn năng lượng tái tạo quan trọng
nhất mà thiên nhiên ban tặng cho hành tnh chúng ta. Đồng thời nó cũng là nguồn
gốc của các nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng gió, năng lượng sinh
khối, năng lượng các dòng sông,… Năng lượng mặt trời có thể nói là vô tận. Tuy
nhiên, để khai thác, sử dụng nguồn năng lượng này cần phải biết các đặc trưng
và tính chất cơ bản của nó, đặc biệt khi tới bề mặt quả đất.
1.1.1. Cấu trúc của mặt trời
8

Có thể xem mặt trời là một quả cầu khí ở cách quả đất 1,49.10 km. Từ trái đất
'

chúng ta nhìn mặt trời dưới một góc mở là 31 59. Từ đó có thể tính được đường kính
6

của mặt trời là R = 1,4.10 km, tức là bằng 109 lần đường kính quả đất và do đó thể
4

tích của mặt trời lớn hơn thể tích quả đất 130.10 lần. Từ định luật hấp dẫn người
ta cũng tính được khối lượng của mặt trời là 1,989.10
4

27

tấn, lớn hơn khối lượng
3

quả đất 33.10 lần. Mật độ trung bình của mặt trời là 1,4g/cm , lớn hơn khối lượng
3

riêng của nước (1g/cm ) khoảng 50%. Tuy nhiên mật độ ở các lớp vỏ khác nhau
của mặt trời rất khác nhau. Ở phần lõi của mặt trời, do bị nén với áp suất rất cao
3

nên mật độ lên tới 160 g/cm , nhưng càng ra phía ngoài mật độ càng giảm và giảm
rất nhanh.
Một cách khái quát có thể chia mặt trời thành hai phần chính: phần phía
trong và phần khí quyển bên ngoài (hình 1.1). Phần khí quyển bên ngoài lại gồm 3
miền và được gọi là quang cầu, sắc cầu và nhật miện. Còn phần bên trong của nó
cũng có thể chia thành 3 lớp và gọi là tầng đối lưu, tầng trung gian và lõi mặt trời.
Một số thông số của các lớp của mặt trời được cho trên hình 1.1.


Hình 1.1. Cấu trúc mặt trời
Từ mặt đất nhìn lên ta có cảm giác mặt trời là một quả cầu lửa ổn định. Thực ra
bên trong mặt trời luôn luôn có sự vận động mạnh mẽ không ngừng. Sự ẩn hiện
của các đám đen, sự biến đổi của quầng sáng và sự bùng phát dữ dội của khu vực
xung quanh các đám đen là bằng chứng về sự vận động không ngừng trong lòng
mặt trời. Ngoài ra, bằng kính thiên văn có thể quan sát được cấu trúc hạt, vật thể
hình kim, hiện tượng phụt khói, phát xung sáng,.. luôn luôn thay đổi và rất dữ dội.
1.1.2. Năng lượng mặt trời

Về mặt vật chất thì mặt trời chứa đến 78,4% khí Hydro (H2), Heli (He) chiếm
19,8%, các nguyên tố kim loại và các nguyên tố khác chỉ chiếm 1,8%.
Năng lượng do mặt trời bức xạ ra vũ trụ là một lượng khổng lồ. Mỗi giây nó phát
26

ra 3,865.10 J, tương đương với năng lượng đốt cháy hết 1,32.10

16

tấn than đá

têu chuẩn. Nhưng bề mặt quả đất chỉ nhận được một năng lượng rất nhỏ và
bằng
16

6

17,57.10 J hay tương đương năng lượng đốt cháy của 6.10 tấn than đá.
Năng lượng khổng lồ từ mặt trời được xác định là sản phẩm của các phản ứng hạt
nhân. Theo thuyết tương đối của Anhxtanh và qua phản ứng nhiệt hạt nhân khối
lượng có thể chuyển thành năng lượng. Nhiệt độ mặt ngoài của mặt trời khoảng


0

6000 K, còn ở bên trong mặt trời nhiệt độ có thể lên đến hàng triệu đô. Áp suất bên
8

trong mặt trời cao hơn 340.10 MPa. Do nhiệt độ và áp suất bên trong mặt trời cao
như vậy nên