Nghiên cứu điều khiển theo mô hình dự báo hệ truyền động biến tần động cơ không đồng bộ
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.08 MB, 97 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
NGÔ XUÂN HIÊN
------------------------------------------
NGÔ XUÂN HIÊN
KỸ THUẬT ĐIỆN – HỆ THỐNG ĐIỆN
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG
MẶT TRỜI NỐI LƯỚI CÔNG SUẤT ĐẾN 10 MW CHO
VÙNG NUÔI TRỒNG THỦY SẢN TAM NÔNG, ĐỒNG THÁP
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT ĐIỆN – HỆ THỐNG ĐIỆN
KHÓA 2016B
Hà Nội – Năm 2019
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ với nội dung đề tài là “Nghiên cứu thiết kế hệ thống
pin năng lượng Mặt trời nối lưới công suất đến 10 MW cho vùng nuôi trồng thủy sản
Tam Nông, Đồng Tháp” do TS. Bùi Minh Định và PGS.TS. Nguyễn Lân Tráng
hướng dẫn là nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc
và xuất xứ rõ ràng.
Hà Nội, ngày
tháng
năm 2019
Tác giả luận văn
`
Ngô Xuân Hiên
MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ................................................................................................. 4
DANH MỤC BẢNG BIỂU........................................................................................... 8
DANH MỤC BIỂU ĐỒ ................................................................................................ 9
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................... 10
MỞ ĐẦU ...................................................................................................................... 11
Chương 1 – GIỚI THIỆU CHUNG VÀ ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG NĂNG
LƯỢNG MẶT TRỜI ................................................................................................... 13
1.1 Lịch sử phát triển của pin Mặt trời .................................................................... 13
1.2 Tổng quan tình hình phát triển năng lượng Mặt trời tại Việt Nam ............... 13
1.3 Kết luận .................................................................................................................. 17
Chương 2 – THIẾT KẾ CẤU TRÚC TRONG MÔ PHỎNG ................................. 18
2.1. Pin quang điện, các sơ đồ thay thế PV và các yếu tố môi trường tác động .. 18
2.1.1 Pin quang điện...................................................................................................... 18
2.1.2 Sơ đồ thay thế của PV có xét đến các tổn hao ................................................... 18
2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến đường đặc tính PV ................................................. 20
2.2.1 Ảnh hưởng của cường độ chiếu sáng ...................................................................20
2.2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ .......................................................................................21
2.2.3 Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm ...................................................................22
2.3 Xây dựng cấu trúc và thuật toán bộ bám điểm công suất cực đại, bộ biến đổi
DC/DC .......................................................................................................................... 25
2.3.1 Xây dựng cấu trúc bộ bám điểm công suất cực đại ............................................ 25
2.3.3 Thuật tốn bám điểm cơng suất cực đại .............................................................. 27
2.3.3.1 Thuật toán theo phương pháp điện áp khơng đổi ............................................ 27
2.3.3.2 Thuật tốn theo phương pháp dịng điện ngắn mạch ....................................... 27
2.3.3.3 Thuật tốn theo phương pháp nhiễu loạn và quan sát (P&O) ......................... 28
2.3.3.4 Thuật toán theo phương pháp điện dẫn gia tăng (INC) ................................... 30
2.3.3.5 Kết luận ............................................................................................................. 32
2.3.4 Bộ biến đổi DC – DC Boost ................................................................................ 32
2.4 Bộ biến đổi DC – AC (Inverter) .......................................................................... 33
1
2.5 Cấu trúc chung của một hệ thống điện Mặt trời nối lưới không dự trữ ....... 34
2.6 Cấu trúc chung của một hệ thống điện Mặt trời độc lập ................................. 36
2.7 Kết luận .................................................................................................................. 38
Chương 3 – MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI ................ 39
3.1 Giới thiệu mơ hình cơng suất 100 kW của Matlab/ Simulink ......................... 39
3.1.1 Mơ hình mơ phỏng hệ thống điện Mặt trời công suất 100 kW kết nối lưới ....... 39
3.1.1.1 Các khối trong mô phỏng hệ thống điện Mặt trời cơng suất 100 kW kết nối
lưới ................................................................................................................................. 40
3.1.1.1.1 Mơ hình dàn pin Mặt trời (PV Array) ........................................................... 40
3.1.1.1.2 Mơ hình bộ điều chỉnh điện áp một chiều DC/DC ........................................ 41
3.1.1.1.3 Mơ hình bộ điều khiển tìm cơng suất cực đại ............................................... 42
3.1.1.1.3.1 khảo sát kết quả bộ điều khiển tìm cơng suất cực đại ................................ 43
3.1.1.1.4 Mơ hình bộ nghịch lưu và khối điều khiển.................................................... 46
3.1.2 Kết quả khai thác mơ hình hệ thống điện Mặt trời cơng suất 100 kW kết nối lưới50
3.2 Giới thiệu Mơ hình cơng suất 400 kWcủa Matlab/ Simulink .......................... 52
3.3 Mơ hình mơ phỏng hệ thống điện Mặt trời công suất 2 MW .......................... 54
3.4 Mơ hình mơ phỏng hệ thống điện Mặt trời công suất 10 MW ........................ 57
3.4.1 Kết quả mô phỏng ở trạng thái vận hành bình thường ....................................... 58
3.4.2 Nhận xét phương thức đấu nối mơ hình 10 MW ................................................ 62
3.4.3 Mô phỏng ở trạng thái sự cố ngắn mạch ............................................................. 62
3.4.4 Mô phỏng khả năng vận hành của hệ thống điện Mặt trời khi mất lưới ............ 64
3.5 Kết luận .................................................................................................................. 66
Chương 4 – ĐỀ XUẤT MƠ HÌNH THỰC TẾ ......................................................... 67
4.1 Vị trí địa lý và phương án lắp đặt hệ thống năng lượng Mặt trời ở Tam Nơng67
4.2 Tính chọn thiết bị và các sơ đồ một sợi ............................................................... 72
4.3 Phương án lắp đặt và đấu nối vào lưới điện ...................................................... 74
4.4 Các thiết bị chính trong các khối của hệ thống điện ........................................ 75
4.5 Tính tốn ngắn mạch ............................................................................................ 78
4.6 Sơ đồ một sợi hệ thống và các thành phần .......................................................... 80
4.7 Các khối chức năng của hệ thống ........................................................................82
2
4.8 Tính tốn lợi ích kinh tế khi lắp đặt hệ thống điện Mặt trời .......................... 84
4.8.1 Tính tốn lượng hối đo lường:
Đo lường điện năng kwh, dùng công tơ đo lường đa chức năng A1700, khối đo lường
đặt ở phần trung áp 22 kV, ưu điểm đo được lượng điện năng tổng nhanh chóng và
chính xác do khơng cần các công tơ thành phần; nhược điểm thiết bị trung thế đắt tiền
như máy biến điện áp TU và máy biến dịng điện TI , khó khăn khi kiểm tra bảo
dưỡng.
82
+ Khối điều khiển và bảo vệ máy biến áp hai cuộn dây phân chia 2,5 MVA:
Dùng bảo vệ so lệch (87T) dọc máy biến áp làm bảo vệ chính, không cần phối hợp với
các vảo vệ khác như bảo vệ q dịng (50, 51), q dịng có hướng (67, 67N). Tác
động nhanh, có thể cài đặt thời gian tác động bằng 0. Bảo vệ có độ nhạy cao đối với
các sự cố trong vùng bảo vệ, làm việc tin cậy khơng tác động nhầm đối với các sự cố
ngồi vùng bảo vệ do có cơ chế hãm.
Ngun lí của bảo vệ so lệch là so sánh tín hiệu dịng điện đi vào và đi ra của đối
tượng được bảo vệ. Trong chế độ vận hành bình thường hoặc khi có sự cố ngồi: dịng
điện đi vào và ra của đối tượng bảo vệ bằng nhau nên bảo vệ không tác động. Khi xảy
ra sự cố trong vùng bảo vệ thì xảy ra sự mất cân bằng giữa dịng vào/ra khỏi đối tượng
do vậy bảo vệ tác động, cắt đối tượng ra khỏi vùng sự cố.
Hình 4. 14: Bảo vệ so lệch máy biến áp ba cuộn dây
-
Có thêm bảo vệ q dịng cắt nhanh (50N/51N) và q dịng có thời gian
(50/51) kèm bảo vệ quá tải (49) làm bảo vệ dự phòng.
+ Khối thiết bị hạ thế:
-
Gồm các tủ động lực AC Panel chứa máy cắt hạ thế với chức năng bảo vệ q
dịng có thời gian (50/51), q dòng cắt nhanh (50N/51N) và bảo vệ chạm đất
(64).
-
Hệ thống tủ tụ bù 125 kVA kèm theo cuộn kháng lọc sóng hài với bộ điều khiển
bù tự động.
83
4.8 Tính tốn lợi ích kinh tế khi lắp đặt hệ thống điện Mặt trời
Bảng đơn giá tiền điện cấp điện áp từ 6 kV đến dưới 22 kV hiện nay (Khối kinh
doanh)
Khung giờ
Đơn giá tiền điện, VNĐ
Giờ cao điểm
4400
Giờ bình thường
2629
Giờ thấp điểm
Bảng 4. 6: Giá bán điện
1547
4.8.1 Tính toán lượng điện năng và tiền điện thu hồi chi tiết theo mức độ bức xạ
(phương pháp 1)
Tổng hợp mức độ bức xạ:
Bảng 1. Phân bố bức xạ theo các tháng 1÷12 (Trạm Tân Sơn Nhất)
Bảng 4. 7: Bảng phân bố bức xạ theo các tháng 1÷12
Tính tốn tổng bức xạ các ngày điển hình:
84
Bảng 4. 8: Bảng tổng bức xạ các ngày điển hình
+ Bảng số giờ nắng hàng tháng trong năm
Tháng 1
2
3
4
5
6
7
8
Tổng 272 259 282 265 222 183 196 186
số giờ
nắng
Bảng 4. 9:Bảng số giờ nắng hàng tháng trong năm
9
10
11
12
179
190
216
239
2688
Biểu đồ số giờ nắng hàng tháng trong năm
Số giờ nắng hàng tháng trong năm
300
250
200
150
100
50
0
1
2
3
4
5
6
7
Biểu đồ 4. 1: Số giờ nắng hàng tháng trong năm
85
8
9
10
11
12
+ Điện năng (kWph) thu hồi hàng tháng
Th
án
g
1
Đi 3.6
ện 59.
nă 032
ng
(k
W
ph)
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
3.9
06.
724
4.2
98.
761
3.5
35.
194
2.4
82.
170
1.5
39.
707
1.9
78.
275
1.8
11.
889
1.6
17.
718
1.8
02.
227
2.1
59.
410
2.6
60.
777
31.4
51.8
85
Bảng 4. 10: Bảng điện năng (kWph) thu hồi hàng tháng trong năm
Tổng điện năng thu hồi trong một năm 31,451 triệu kWph
Điện năng (kWph) thu hồi hàng tháng
5,000,000
4,000,000
3,000,000
2,000,000
1,000,000
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Biểu đồ 4. 2: Điện năng (kWph) thu hồi hàng tháng
+ Khả năng thu hồi tiền điện hàng tháng
Thán 1
g
Thu
hồi
11,5
(Tỷ
6
VNĐ
)
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
12,3
5
13,5
9
11,1
7
7,8
4
4,8
7
6,2
5
5,7
3
5,1
1
5,7
0
6,8
2
8,4
1
86
99,4
0
Bảng 4. 11: Bảng tiền điện thu hồi hàng tháng
14.00
Tiền điện thu hồi hàng tháng (tỷ VNĐ)
12.00
10.00
8.00
6.00
4.00
2.00
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Biểu đồ 4. 3: Tiền điện thu hồi hàng tháng (tỷ VNĐ)
Bảng tính tổng hợp
Bảng 4. 12: Bảng tính tổng hợp
Như vậy tổng số tiền điện thu được trong một năm khi lắp đặt hệ thống PV là: 99 tỷ
VNĐ/năm.
87
4.8.2 Tính tốn lượng điện năng và tiền điện thu hồi ước lượng theo công suất lắp
đặt dàn PV (phương pháp 2)
Tính lượng điện năng thu được khi lắp đặt (51456 tấm PV) trên diện tích 16 ha.
Cơng suất lắp đặt hệ thống PV là: 51456.0,315 = 16209 kWp = 16,209 MWp.
Trung bình một ngày hệ thống PV làm việc khoảng 5 giờ. Giả sử có 2 giờ cao điểm, 3
giờ trung điểm, giờ thấp điểm khơng có.
+ Sản lượng điện lượng điện năng (kWph) thu được
Sản lượng điện lượng điện năng trong một ngày:
Angày = 16209.5 = 81045 kWph
Sản lượng điện lượng điện năng trong một tháng (một tháng có 30 ngày):
Atháng= 81045.30 = 2431350 kWph = 2431,35 MWph
Sản lượng điện lượng điện năng trong một năm (12 tháng):
Anăm= 2431,35.12 = 29176,2 MWph
+ Số tiền điện thu được khi lắp hệ PV
Số tiền điện thu được trong một ngày:
Cngày = 16209.2.4400 + 16209.3.2629 = 270479583 VNĐ = 270,5 triệu VNĐ
Như vậy số tiền điện thu được khi lắp đặt hệ thống pin NLMT trong một tháng là:
Ctháng = 270,5.30 = 8115 triệu VNĐ = 8,115 tỷ VNĐ
Vậy số tiền điện thu được trong một năm là:
Cnăm = 8,115.12 = 97,4 tỷ VNĐ
Như vậy tổng số tiền điện thu được trong một năm là: 97,4 tỷ VNĐ.
4.8.3 Kết luận
Như vậy cả hai phương pháp:
Tính tốn lượng điện năng và tiền điện thu hồi chi tiết theo mức độ bức xạ (phương
pháp 1) và Tính tốn lượng điện năng và tiền điện thu hồi ước lượng theo công suất
lắp đặt dàn PV (phương pháp 2) đều cho ra kết quả xấp xỉ tiền điện thu hồi được khi
lắp đặt hệ thống PV là hơn 97 tỷ VNĐ/năm. Từ số tiền điện thu được trong một năm
này cho ta cơ sở ước lượng số năm hoàn vốn đầu tư khi triển khai lắp đặt thực tế.
88
4.9 Kết luận
Chương 4 đề xuất mơ hình thực tế điển hình của hệ thống PV nối lưới cơng suất 10
MW. Kết quả mơ phỏng dịng, áp, cơng suất cũng như dịng ngắn mạch trong mơ hình
Matlab/Simulink như mơ hình thực tế. Tính kinh tế khi lắp đặt hệ thống năng lượng
Mặt trời.
89
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Các đóng góp của luận văn
Luận văn đã đạt được các kết quả bao gồm:
- Nghiên cứu và khảo sát các đặc tính của hệ pin quang điện trong các điều
kiện nhiệt độ và cường độ bức xạ Mặt trời khác nhau.
- Mô phỏng các hệ PV nối lưới từ công suất 100 kW, 400 kW rồi đến công suất lớn
2 MW và 10 MW.
- Kết quả lý thuyết mô phỏng đề xuất ra mô hình hệ thống 10 MW điển hình áp
dụng cho hệ thống điện Mặt trời dự kiến lắp đặt tại kênh Mười Tải – Phú Cường –
Tam Nông – Đồng Tháp.
- Tính kinh tế khi lắp đặt hệ thống điện Mặt trời, cho ta cơ sở ước lượng số năm
thu hồi vốn khi triển khai thực tế.
Hướng phát triển tương lai
Phạm vi nghiên cứu của đề tài được giới hạn ở một số điểm mà trên cơ sở này
có thể được nghiên cứu và phát triển trong tương lai:
- Hệ pin quang điện trong nghiên cứu này sẽ được nghiên cứu mở rộng để có thể
cung cấp cho các tải AC thông qua các bộ biến đổi công suất DC/AC với chất
lượng điện năng AC được đảm bảo về giá trị biên độ và dạng sóng của điện áp cũng
như tần số.
- Khảo sát và nghiên cứu các ảnh hưởng của ổn định hệ thống điện khi kết nối
nguồn pin quang điện vào lưới điện quốc gia.
- Nghiên cứu mơ hình và phương thức đấu nối phù hợp cho hệ thống PV nối lưới
công suất lớn đến hàng trăm và hàng ngàn MW.
Kiến nghị
Qua thời gian học tập, nghiên cứu và làm luận văn, em có một số kiến nghị sau:
Việc thiết kế, xây dựng các hệ thống pin Mặt trời là việc cần thiết và có tầm quan
trọng trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng. Vì vậy nên xây dựng một quy
trình thiết kế, chọn thiết bị, tính chọn các phương án kinh tế dựa vào các phần mềm
chuyên dụng để việc thiết kế hoàn chỉnh một hệ thống pin năng lượng Mặt trời được
thuận lợi hơn.
90
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Đặng Đình Thống (2005), Pin mặt trời và ứng dụng, NXB Khoa học và kỹ thuật,
Hà Nội.
[2] Đặng Đình Thống, Lê Danh Liên (2006), Cơ sở năng lượng mới và tái tạo, NXB
Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội.
[3] Đào Quang Thạch, Phạm Văn Hòa (2004), Phần điện trong nhà máy điện và trạm
biến áp, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội
[4] Nguyễn Văn Đạm (2009), Mạng lưới điện, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội
[5] />[6] Marian P.Kazmierkowski, R.Krishnan, Frede Blaabjerg; Control in Power
Electronic – Selected Problems; Academic Press,2002.
[7] Sylvain LECHAT SANJUAN , Voltage Oriented Control of Three‐Phase, Boost
PWM Converters – Design, simulation and implementation of a 3‐phase boost battery
charger
[8] Jim Ögren, “PLL design for inverter grid connection – Simulations for ideal and
non-ideal grid conditions“,
91
PHỤ LỤC
1. Code thuật toán MPPT trên Matlab
1.1 Thuật toán MPPT theo phương pháp nhiễu loạn và quan sát (P&O)
function D = PandO(Param, Enabled, V, I)
% MPPT controller based on the Perturb & Observe algorithm.
% D output = Duty cycle of the boost converter (value between 0 and 1)
% Enabled input = 1 to enable the MPPT controller
% V input = PV array terminal voltage (V)
% I input = PV array current (A)
% Param input:
Dinit = Param(1); %Initial value for D output
Dmax = Param(2); %Maximum value for D
Dmin = Param(3); %Minimum value for D
deltaD = Param(4); %Increment value used to increase/decrease the duty cycle D
% ( increasing D = decreasing Vref )
persistent Vold Pold Dold;
dataType = 'double';
if isempty(Vold)
Vold=0;
Pold=0;
Dold=Dinit;
end
P= V*I;
dV= V - Vold;
dP= P - Pold;
if dP ~= 0 & Enabled ~=0
if dP < 0
if dV < 0
D = Dold - deltaD;
else
D = Dold + deltaD;
end
else
if dV < 0
D = Dold + deltaD;
else
D = Dold - deltaD;
end
92
end
else D=Dold;
end
if D >= Dmax | D<= Dmin
D=Dold;
end
Dold=D;
Vold=V;
Pold=P;
1.2 Thuật toán MPPT theo phương pháp điện dẫn gia tăng (INC) theo phép chia
dP/dV
function D = PandINC(Param, Enabled, V, I)
% MPPT controller based on the Perturb & Observe algorithm.
% D output = Duty cycle of the boost converter (value between 0 and 1)
%
% Enabled input = 1 to enable the MPPT controller
% V input = PV array terminal voltage (V)
% I input = PV array current (A)
%
% Param input:
Dinit = Param(1); %Initial value for D output
Dmax = Param(2); %Maximum value for D
Dmin = Param(3); %Minimum value for D
deltaD = Param(4); %Increment value used to increase/decrease the duty cycle D
% ( increasing D = decreasing Vref )
%
persistent Vold Pold Dold;
dataType = 'double';
if isempty(Vold)
Vold=0;
Pold=0;
Dold=Dinit;
end
P= V*I;
dV= V - Vold;
dP= P - Pold;
93
if(dV ~= 0 & Enabled ~=0 )
if ((dP/dV) > 0)
if dV > 0
D = Dold + deltaD;
else
D = Dold - deltaD;
end
else
if dV > 0
D = Dold - deltaD;
else
D = Dold + deltaD;
end
end
else D = Dold;
end
if D >= Dmax | D<= Dmin
D=Dold;
end
Dold=D;
Vold=V;
Pold=P;
end
1.3 Thuật toán MPPT theo phương pháp điện dẫn gia tăng (INC) theo phép chia
dI/dV
function D = PandINC(Param, Enabled, V, I)
% MPPT controller based on the Perturb & Observe algorithm.
% D output = Duty cycle of the boost converter (value between 0 and 1)
%
% Enabled input = 1 to enable the MPPT controller
% V input = PV array terminal voltage (V)
% I input = PV array current (A)
%
% Param input:
Dinit = Param(1); %Initial value for D output
Dmax = Param(2); %Maximum value for D
Dmin = Param(3); %Minimum value for D
94
deltaD = Param(4); %Increment value used to increase/decrease the duty cycle D
% ( increasing D = decreasing Vref )
%
persistent Vold Pold Iold Dold;
dataType = 'double';
if isempty(Vold)
Vold=0;
Pold=0;
Iold=0;
Dold=Dinit;
end
P= V*I;
dV= V - Vold;
dP= P - Pold;
dI=I - Iold;
if(dV ~= 0 & Enabled ~=0 )
if (dI/dV + Iold/Vold) > 0
if dV > 0
D = Dold + deltaD;
else
D = Dold - deltaD;
end
else
if dV > 0
D = Dold - deltaD;
else
D = Dold + deltaD;
end
end
else D = Dold;
end
if D >= Dmax | D<= Dmin
D=Dold;
end
Dold=D;
Vold=V;
Pold=P;
end
95
