(Luận văn thạc sĩ) sử dụng thuật toán điều khiển mờ để điều khiển công suất trong mạng năng lượng mặt trời phân tán
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (7.19 MB, 104 trang )
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------------------------------
TĂNG VĂN DŨNG
TĂNG VĂN DŨNG
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT
ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
C
C
SỬ DỤNG THUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN MỜ
ĐỂ ĐIỀU KHIỂN CƠNG SUẤT TRONG MẠNG
NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI PHÂN TÁN
R
L
T
U
D
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KHOÁ K37
Đà Nẵng – Năm 2020
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------------------------------
TĂNG VĂN DŨNG
SỬ DỤNG THUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN MỜ
ĐỂ ĐIỀU KHIỂN CƠNG SUẤT TRONG MẠNG
NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI PHÂN TÁN
C
C
R
L
T
U
D
Chuyên ngành :
Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 8520216
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. Nguyễn Hoàng Mai
Đà Nẵng - Năm 2020
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là luận văn của riêng tơi dưới sự hướng dẫn của
TS.Nguyễn Hồng Mai. Các kết quả trình bày trong luận văn là trung thực và chưa
từng công bố trong một ấn phẩm nào.
Tác giả luận văn
Tăng Văn Dũng
C
C
R
L
U
D
T
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...........................................................................................................
MỤC LỤC .......................................................................................................................
TÓM TẮT .......................................................................................................................
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .........................................................................................
MỤC LỤC HÌNH ...........................................................................................................
MỤC LỤC BẢNG...........................................................................................................
MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 1
Chƣơng 1 : TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI VÀ ĐIỆN MẶT
TRỜI MÁI NHÀ ........................................................................................................... 6
1.1 Nguồn điện mặt trời mái nhà ............................................................................ 6
C
C
1.1.1
Pin mặt trời và mô tả toán học PV (Photovoltaic)..................................... 6
1.1.2
Phân loại điện mặt trời áp mái ................................................................. 8
1.1.3.
Ưu điểm của nguồn điện mặt trời mái nhà .............................................. 11
1.1.4.
Các chính sách hỗ trợ ĐMTMN của cơ quan quản lý Nhà nước và EVN12
1.1.5.
Tại sao nên lắp đặt điện mặt trời hịa (nối) lưới...................................... 14
1.1.6.
lai
Những khó khăn cần tháo gỡ để tăng trưởng nguồn ĐMTMN trong tương
15
R
L
T
U
D
1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nƣớc.................................................... 15
1.2.1. Trong nước.................................................................................................. 15
1.2.2.
Ngồi nước .............................................................................................. 15
Chƣơng 2: XÂY DỰNG MƠ HÌNH NGUỒN PIN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI
PV NỐI LƢỚI ............................................................................................................. 20
2.1. Mơ hình tốn học pin mặt trời ........................................................................ 20
2.2 . Phƣơng pháp điều khiển bám điểm công suất cực đại: .............................. 22
2.3. Nguyên lí hoạt động của hệ thống ĐMTMN hòa lƣới .................................. 23
2.4. Các thành phần cơ bản của hệ thống ĐMTMN hòa lƣới ............................. 25
2.4.1 Tấm pin (PV module) .................................................................................. 25
2.4.2. Inverter......................................................................................................... 26
2.4.3.
Hệ thống khung giàn ................................................................................ 29
2.4.4. Hệ thống đo đếm ......................................................................................... 29
2.5. Giới thiệu điện năng lƣợng mặt trời nối lƣới................................................. 30
2.5.1. Hệ thống hịa lưới khơng dự trữ .................................................................. 31
2.5.2. Hệ thống điện mặt trời hịa lưới có dự trữ .................................................. 33
2.6 . Máy biến áp: ................................................................................................... 35
2.7 . Tổn thất công suất trên đƣờng dây và MBA ............................................... 38
2.7.1. Tổn thất công suất trên đường dây ............................................................ 39
2.7.2. Tổn thất công suất trong MBA 2 cuộn dây ............................................... 41
CHƢƠNG 3: ÁP DỤNG THUẬT TỐN MỜ ĐỂ ĐĨNG/CẮT CÁC CỤM
NLMTMN.................................................................................................................... 43
3.1. Tổng quan về logic mờ ..................................................................................... 43
3.1.1.
Định nghĩa tập mờ: ................................................................................. 45
3.1.2.
Một vài dạng hàm liên thuộc thường được sử dụng ............................. 46
3.1.3.
Biến ngôn ngữ và giá trị của biến ngôn ngữ ......................................... 47
3.1.4.
Luật hợp thành ........................................................................................ 48
3.1.5.
Giải mờ .................................................................................................... 49
C
C
R
L
3.2. Điều khiển mờ ................................................................................................... 50
T
3.2.1. Cấu trúc của bộ điều khiển mờ .................................................................. 50
3.2.2.
Phân loại bộ điều khiển mờ .................................................................... 50
3.2.3.
Các bước tổng hợp bộ điều khiển mờ..................................................... 51
U
D
3.3. Phƣơng pháp đóng cắt các inverter ................................................................ 52
3.4. Áp dụng thuật tốn logic mờ để đóng cắt các cụm ĐMTMN ...................... 60
3.4.1. Các biến vào: ............................................................................................... 61
3.4.2. Các biến ra: ................................................................................................. 63
3.4.3. Luật hợp thành ............................................................................................. 64
Chƣơng 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ............................................. 65
4.1. Các tham số mô phỏng..................................................................................... 65
4.2. Sơ đồ mô phỏng ................................................................................................ 65
4.2.1. Khối công suất cắt ....................................................................................... 66
4.2.2. Các khối xuất tuyến ..................................................................................... 69
4.2.3. Khối animation ............................................................................................ 71
4.3. Kết quả mô phỏng ............................................................................................ 72
Chƣơng 5: KẾT LUẬN .............................................................................................. 77
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................... 78
TĨM TẮT
SỬ DỤNG THUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN MỜ ĐỂ ĐIỀU KHIỂN CÔNG
SUẤT TRONG MẠNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI PHÂN TÁN
Học viên: Tăng Văn Dũng
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Khóa: K37.TĐH.KT
Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN
Tóm tắt – Năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng sạch đang ngày càng
được sử dụng phổ biến trong đời sống và dần thay thế các nguồn năng lượng
truyền thống bởi khả năng vơ tận của nó cũng như góp phần bảo vệ mơi trường.
Việt Nam là một nước có bức xạ mặt trời lớn nên rất có tiềm năng phát triển nguồn
năng lượng này trong tương lai. Tuy vậy việc phát triển điện mặt trời cụ thể là điện
mặt trời áp mái ở các hộ gia đình một cách ồ ạt, khơng kiểm sốt dẫn đến mất ổn
định hệ thống lưới điện, gây quá tải trạm biến áp. Luận văn nghiên cứu ứng dụng
thuật toán điều khiển mờ để điều khiển công suất trong mạng năng lượng mặt trời
phân tán tránh gây quá tải cho trạm biến áp bằng cách đóng cắt các inverter dựa
trên độ ưu tiên của mỗi hộ được tính từ thời gian cắt và số lần cắt của mỗi hộ,
lượng công suất cắt bớt là hiệu số của công suất mặt trời cần do bộ logic mờ tính
ra và cơng suất trả về lưới hiện tại trong trường hợp công suất mặt trời cần lớn hơn
công suất trả về lưới để đảm bảo công suất mặt trời trả về lưới luôn nằm trong
khoảng cho phép.
C
C
R
L
T
Từ khóa – điện mặt trời áp mái; logic mờ; năng lượng mặt trời; quá tải trạm biến áp;
công suất trả về lưới.
U
D
USING FUZZY CONTROL ALGORITHM TO CONTROL POWER IN SOLAR
SYSTEM
Abstract - Solar energy is a clean energy source that is increasingly used in life and
gradually replaces traditional energy sources because of its endless capacity as well as
contributing to environmental protection. Vietnam is a country with large solar radiation,
so it is very potential to develop this source of energy in the future. However, the
development of solar power, particularly on-grid system in households, is massively and
uncontrollably, leading to instability of the grid system, causing overload of transformer
stations. The dissertation applied the fuzzy control algorithm to control the power in the
distributed solar network to avoid overloading the transformer station by switching the
inverter based on the priority of each household calculated from the time of cutting time
and number of cuts per household, the amount of cut power is the difference of the solar
power needed by the fuzzy logic and the power returned to the current grid in case the
solar power needs to be greater than the capacity returns the grid to make sure the solar
power it returns to the grid is always within the allowed range.
Key words – on-grid system; fuzzy logic; solar energy; overload of transformer station;
solar power return to grid.
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
AC
Dòng điện xoay chiều
CPC EMEC Trung tâm sản xuất thiết bị đo điện tử Điện lực miền Trung
CS
Cơng suất
DC
Dịng điện một chiều
ĐMT
Điện mặt trời
ĐMTMN
Điện mặt trời mái nhà
EVN
Tập đoàn Điện lực Việt Nam
MCCB
moulded case circuit breaker là aptomat khối
MBA
Máy biến áp
NLMT
Năng lượng mặt trời
PV
Photovoltaic
TBA
Trạm biến áp
U
D
T
R
L
C
C
MỤC LỤC HÌNH
Hình 1. 1. Mạch điện tương đương của nguồn pin mặt trời PV ........................................... 6
Hình 1. 2. Họ đường đặc tính chuẩn V-I theo thơng số độ rọi của nguồn pin mặt trời
PV ......................................................................................................................................... 7
Hình 1. 3. Sơ đồ nguyên lý nhà máy điện mặt trời PV nối lưới ........................................... 7
Hình 1. 4. Sơ đồ nguyên lý của 1 TBA có các nguồn NLMTMN nối lưới.......................... 8
Hình 1. 5. Sơ đồ hệ thống điện mặt trời hòa lưới ................................................................. 9
Hình 1. 6. Sơ đồ hệ thống điện mặt trời Hybrid ................................................................. 10
Hình 1. 7. Sơ đồ lưới điện thơng minh kết nối đa nguồn ................................................... 16
C
C
Hình 1. 8. Sơ đồ bộ dịch pha .............................................................................................. 16
Hình 1. 9. Sơ đồ bộ nghịch lưu nối lưới ............................................................................. 17
R
L
Hình 1. 10. Sơ đồ hệ thống mặt trời nối lưới...................................................................... 17
T
Hình 1. 11. Dạng sóng dịng điện (A) và điện áp (B) ra của hệ thống mặt trời nối lưới.... 18
Hình 1. 12. Kết quả thuật toán điều khiển bù và tối ưu hóa cơng suất bơm lên lưới theo
U
D
[4]........................................................................................................................................ 18
Hình 2. 1. Đặc tính làm việc của pin mặt trời ................................................................... 20
Hình 2. 2. Dịng điện một module tấm pin ........................................................................ 20
Hình 2. 3. Mơ hình pin mặt trời xây dựng trên Matlab/Simulink (PV) ............................ 22
Hình 2. 4. Sơ đồ nguyên lý điều khiển trực tiếp theo nguyên lý MPPT ........................... 22
Hình 2. 5. Lưu đồ thuật tốn P&O điều khiển trực tiếp theo phương pháp MPPT........... 23
Hình 2. 6. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống ĐMTMN hòa lưới ............................................ 25
Hình 2. 7. Các tấm pin PV phổ biến hiện nay ................................................................... 26
Hình 2. 8. Central Inverter và cấu trúc bên trong .............................................................. 27
Hình 2. 9. Sơ đồ hệ thống sử dụng String Inverter ............................................................ 27
Hình 2. 10. Sơ đồ hệ thống sử dụng Micro Inverter .......................................................... 28
Hình 2. 11. Sơ đồ hệ thống sử dụng String Inverter kết hợp Optimizer ........................... 28
Hình 2. 12. Cơng tơ điện 3 pha và 1 pha ........................................................................... 30
Hình 2. 13. Điện năng lượng mặt trời hòa lưới là giải pháp năng lượng cho gia đình và
doanh nghiệp...................................................................................................................... 31
Hình 2. 14. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống điện năng lượng mặt trời khơng
lưu trữ ................................................................................................................................ 32
Hình 2. 15. Hệ thống điện mặt trời có dự trữ .................................................................... 33
Hình 2. 16. Các địa điểm phù hợp lắp đặt ĐMTMN hịa lưới .......................................... 34
Hình 2. 17. Cấu tạo của MBA ........................................................................................... 36
Hình 2. 19. Sơ đồ đường dây phụ tải phân bố đều ............................................................ 40
Hình 3. 1. Các dạng hàm liên thuộc thường được sử dụng ............................................... 47
Hình 3. 2. Sơ đồ cấu trúc của bộ điều khiển mờ ............................................................... 50
Hình 3. 3. Sơ đồ inverter và bộ lọc .................................................................................... 53
Hình 3. 4. Sơ đồ quy đổi của hệ thống NLMTMN ........................................................... 54
Hình 3. 5. Phương pháp đóng cắt các inverter .................................................................. 55
Hình 3. 6. Thuật tốn sắp xếp độ ưu tiên của mỗi hộ trong một xuất tuyến ..................... 57
Hình 3. 7. Thuật tốn xuất tín hiệu đóng cắt các hộ trong một xuất tuyến ....................... 59
Hình 3. 8. Các biến vào/ra của bộ điều khiển mờ ............................................................. 61
Hình 3. 9. Số lượng inverter .............................................................................................. 62
Hình 3. 10. Cơng suất các hộ sử dụng ............................................................................... 62
Hình 3. 11. Cơng suất mặt trời cần .................................................................................... 63
C
C
R
L
Hình 4. 1. Sơ đồ mơ phỏng của hệ thống ........................................................................... 65
Hình 4. 2. Sơ đồ khối cơng suất cắt .................................................................................... 68
T
Hình 4. 3. Sơ đồ cấu trúc 10 hộ trong khối xuất tuyến 1.................................................... 69
Hình 4. 4. Sơ đồ cấu trúc của mỗi hộ ................................................................................. 70
U
D
Hình 4. 5. Sơ đồ hàm sắp xếp và xuất tín hiệu đóng cắt trong xuất tuyến 1 ...................... 71
Hình 4. 6. Giao diện GUI của 40 hộ ................................................................................... 72
Hình 4. 7. Đồ thị số lượng inverter..................................................................................... 74
Hình 4. 8. Đồ thị công suất trả về lưới khi có sử dụng fuzzy............................................. 74
Hình 4. 9. Đồ thị cơng suất trả về lưới khi khơng có sử dụng fuzzy.................................. 75
MỤC LỤC BẢNG
Bảng 2. 1. Khả năng quá tải của MBA (Nguồn: Quyết định về việc ban hành Quy trình
Quản lý vận hành và Bảo dưỡng TBA phân phối trong Tập đoàn Điện lực Quốc gia
Việt Nam- ngày 04 tháng 03 năm 2019) ............................................................................ 38
Bảng 3. 1. Luật hợp thành .................................................................................................. 64
C
C
R
L
U
D
T
1
MỞ ĐẦU
I. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Cơ sở thực tiễn
Sử dụng năng lượng mặt trời cho mục đích phát điện đã và đang được khuyến khích
phát triển, góp phần tăng sản lượng điện cho hệ thống điện Quốc gia, đồng thời làm giảm
ô nhiễm môi trường.
Ứng dụng công nghệ chuyển hóa quang năng thành điện năng đã trở thành xu thế
mới để dần thay thế các nguồn điện sử dụng tài nguyên môi trường. Hệ thống điện mặt
trời mái nhà với công suất nhỏ, tiện dụng, ĐMT lắp trên mái nhà khơng chỉ giúp tiết kiệm
chi phí, mà cịn góp phần giảm áp lực về đầu tư nguồn điện, giảm ô nhiễm môi trường.
C
C
Điện mặt trời mái nhà là giải pháp năng lượng mặt trời cho hộ gia đình, doanh
R
L
nghiệp ... là nguồn năng lượng tái tạo thực sự, chuyển hóa quang năng thành điện năng,
tận dụng ánh sáng mặt trời, thân thiện với môi trường.
T
Sử dụng nguồn "nguyên liệu" gần như là vô tận - ánh sáng mặt trời, sử dụng trong
U
D
gia đình, doanh nghiệp giúp giảm sâu hóa đơn tiền điện hằng tháng.
Chi phí bảo trì, bảo dưỡng cực thấp. Người dùng chỉ cần giữ hệ thống sạch sẽ (vệ
sinh 2-3 lần/năm). Hệ thống điện mặt trời mái nhà khơng có các bộ phận chuyển động gây
hao mịn, do đó chi phí bảo dưỡng gần như là khơng có.
Cơng nghệ phát triển điện mặt trời phát triển rất nhanh và không ngừng tiến bộ.
Những đổi mới của công nghệ càng ngày sẽ càng làm cho hiệu quả của các tấm pin mặt
trời tăng lên.
Điện từ nhà máy thủy điện, từ năng lượng mặt trời, từ nhiên liệu sinh khối (củi, rơm
rạ, trấu bã mía), từ khí sinh học (các hầm ủ phân động vật,...), từ địa nhiệt, năng lượng
thủy triều, sóng biển, v.v... được gọi là các loại nguồn điện tái tạo. Các nguồn này, ngồi
ưu điểm có thể tái sinh lâu dài, cịn góp phần đáng kể vào hạn chế sử dụng nhiên liệu hóa
2
thạch và giảm phát thải ô nhiễm. Chúng đang được nhiều nước khai thác, sử dụng với
mục tiêu phát triển năng lượng bền vững.
Với đặc điểm địa hình, khí hậu, thời tiết, nước ta có khá dồi dào các nguồn năng
lượng tái tạo này. Đặc biệt tiềm năng bức xạ mặt trời nước ta rất lớn, ước tính tiềm năng
kỹ thuật để phát triển điện mặt trời ở Việt Nam có thể lên tới gần 340.000 MWp. Các
vùng đồng bằng sơng Hồng, Trung du, miền núi phía Bắc và Bắc Trung bộ có số giờ nắng
trung bình từ 1300 - 2200 h/năm. Các vùng có tiềm năng bức xạ mặt trời lớn nhất là từ
miền Trung Trung bộ tới miền Nam, với số giờ nắng trung bình năm từ 2200 - 2700
h/năm.
Gần đây, với chính sách của Nhà nước khuyến khích phát triển nguồn điện từ năng
lượng tái tạo, rất nhiều dự án nguồn điện mặt trời đã được triển khai đầu tư xây dựng, tập
C
C
trung tại các tỉnh có tiềm năng cao như: Ninh Thuận, Bình Thuận, Đắk Lăk, Tây Ninh,
Khánh Hịa... Quy mơ các dự án ĐMT thường từ suýt soát 50 MW tới vài trăm MW. Với
R
L
quy mô khoảng 50 MW một dự án ĐMT cần diện tích đất bằng phẳng khoảng 60 hecta,
T
khá tốn đất đai.
Ngồi ra, do việc phát triển ồ ạt ĐMT trên một số tỉnh nhất định đã gây nguy cơ quá
U
D
tải lưới điện và mất an toàn trong vận hành hệ thống điện.
Vì vậy, trong hơn 20.000 MW cơng suất các dự án ĐMT đang trình bổ sung quy
hoạch điện, mới chỉ có khoảng trên dưới 7.000 MW được duyệt và Nhà nước phải đầu tư
trên hàng ngàn tỷ đồng để tăng cường, nâng cấp đường dây truyền tải và trạm biến áp (kể
cả lưới điện siêu cao áp 500 kV) để có thể "hấp thụ" được lượng cơng suất đã được duyệt.
Tương lai cho tiếp tục nâng công suất các trang trại ĐMT cịn nhiều khó khăn về khả
năng đầu tư thêm lưới điện truyền tải.
Do đặc tính đầu ra của dàn Pin điện mặt trời là phi tuyến tính, chịu ảnh hưởng của
phụ tải, nhiệt độ môi trường, cường độ ánh sáng mặt trời và một số các yếu tố ảnh hưởng
khác. Vì vậy dàn Pin điện mặt trời có thể xem là một loại nguồn điện không ổn định, sản
lượng điện phát ra chỉ trong thời gian ban ngày khi có ánh nắng mặt trời. Do đó, việc bổ
sung nguồn điện mặt trời cần được xem xét đánh giá tác động tới hệ thống điện trong cả
3
quy hoạch cũng như trong cải tạo vận hành lưới điện. Việc đánh giá đúng mức độ tổn thất
điện năng, chất lượng độ lệch điện áp, khả năng tải của các đường dây và máy biến áp
(MBA) phụ tải trong lưới điện đóng một vai trị quan trọng trong cơng tác quản lý, quy
hoạch và vận hành lưới điện.
Xuất phát từ các yêu cầu đó, hướng nghiên cứu của luận văn: “Sử dụng thuật
toán điều khiển mờ để điều khiển công suất trong mạng năng lƣợng mặt trời phân
tán” sẽ nghiên cứu ứng dụng cho một Trạm biến áp (TBA) phân phối để cấp điện cho các
hộ tiêu thụ của một cụm dân cư, với việc xem xét đánh giá đến khả năng quá tải của
đường dây hạ áp & MBA khi có sự xuất hiện nguồn điện mặt trời mái nhà của các hộ tiêu
thụ điện.
Cơ sở khoa học
C
C
Áp dụng thuật toán điều khiển mờ (Fuzzy) để điều khiển đóng cắt các cụm
ĐMTMN của các hộ gia đình nối lưới để không bị quá tải đường dây và MBA.
R
L
T
II. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
U
D
Mục tiêu tổng quát: Khai thác tối đa được nguồn cơng suất đặt của hệ thống. Góp
phần hoàn thiện lý thuyết điều khiển cho hệ thống điện mặt trời nhỏ lẻ, lắp đặt phân tán.
Mục tiêu cụ thể: Áp dụng thuật tốn Fuzzy và Quy trình cài đặt trên MATLAB.
Nâng cao hiệu suất phát của hệ thống điện mặt trời nhỏ lẻ, lắp đặt phân tán nhưng vẫn
đảm bảo không bị quá tải hệ thống điện.
III. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
1. Về mặt lý thuyết:
Xây dựng Mơ hình nguồn pin năng lượng mặt trời PV: dựa trên đặt tính quan hệ
V(I) theo cơng suất bức xạ.
4
2. Về mặt mơ phỏng:
Áp dụng thuật tốn Fuzzy và Quy trình cài đặt trên MATLAB điều khiển đóng cắt
các cụm NLMTMN để nâng cao hiệu suất phát của hệ thống điện mặt trời nhỏ lẻ, lắp đặt
phân tán nhưng vẫn đảm bảo không bị quá tải hệ thống điện.
3. Về mặt tiếp cận:
Đề tài có thể mở rộng, nâng cấp cho các giai đoạn tiếp theo vì mơ hình tính tốn mở
và mang tính kế thừa. Có thể xem xét các phương án điều khiển cho cả một khu vực; một
vùng.
IV. PHÂN TÍCH VẤN ĐỀ
Khi trời nắng tất cả các cụm ĐMTMN phát đạt cơng suất đỉnh thì dẫn đến quá tải
C
C
MBA phụ tải; nên ta cần phải cắt bớt một số cụm để đảm bảo thiết bị vận hành an toàn.
Việc cắt sa thải các cụm ĐMTMN phải đảm bảo tính ln phiên (khơng thể cắt 1
R
L
cụm nhiều lần mà cụm khác khơng cắt).
T
V. MƠ TẢ ĐỐI TƢỢNG
Đề tài nghiêm cứu trong qui mô một TBA phụ tải cấp điện cho 1 cụm dân cư có
U
D
nguồn ĐMTMN đấu vào lưới điện; Các thông số cụ thể:
+ Cấp điện áp lưới điện: 0.4KV
+ Cấp điện áp TBA phụ tải: 22/0.4KV
+ Đường dây hạ áp sau TBA phụ tải gồm 4 nhánh
+ Công suất MBA 3P_400KVA
+ CosѰ = 0.85
+ Tổng công suất tiêu thụ của các phụ tải: 320kW
+ Tổng công suất của mạng NLMTMN: 800kWp (40 cụm mỗi cụm
20kWp);
5
VI. CẤU TRÚC LUẬN VĂN
Gồm 5 chương:
Chương 1: Tổng quan về năng lượng mặt trời và điện mặt trời mái nhà
Chương 2: Xây dựng mơ hình nguồn pin năng lượng mặt trời PV nối lưới
Chương 3: Áp dụng thuật toán mờ để đóng/cắt các cụm năng lượng mặt trời mái nhà
Chương 4: Mô phỏng và đánh giá kết quả
Chương 5: Kết luận
C
C
R
L
U
D
T
6
Chƣơng 1 : TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI VÀ
ĐIỆN MẶT TRỜI MÁI NHÀ
1.1
Nguồn điện mặt trời mái nhà
Điện mặt trời được lắp đặt với quy mô nhỏ trên mái nhà dân, mái tịa nhà thương
mại, mái cơng xưởng, nhà máy... với quy mô vài kW tới cỡ MW được gọi là ĐMTMN
(điện mặt trời mái nhà) với mục đích là để giảm diện tích sử dụng đất.
1.1.1 Pin mặt trời và mơ tả tốn học PV (Photovoltaic)
Phương trình phi tuyến đặc tính V-I của nguồn năng lượng mặt trời PV gồm Ns cells
mắc nối tiếp và Np cells mắc song song có dạng sau,
C
C
Vg = - IgRs(Ns/Np) +(Ns/A).ln{1+(Ns.Iph-Ig/(Np.I0)}
Với A = q/AKT
q – điện tích
R
L
T
A – hệ số hồn thành
K – hằng số Boltzmann
(1.1)
U
D
T – nhiệt độ tuyệt đối
Mạch điện tương đương của nguồn pin mặt trời PV cho ở hình 1.1
Đặc tính V-I phụ thuộc hệ số phần trăm độ rọi Kins được thể hiện theo biểu thức
(1.2):
Vg 0.9I g 123.69ln 1.0 123.4513.45Kins I g
(1.2)
Hình 1. 1. Mạch điện tương đương của nguồn pin mặt trời PV
7
C
C
R
L
Hình 1. 2. Họ đường đặc tính chuẩn V-I theo thơng số độ rọi của nguồn pin mặt trời PV
T
U
D
Hình 1. 3. Sơ đồ nguyên lý nhà máy điện mặt trời PV nối lưới
8
Về mơ hình giải pháp:
- Xây dựng Mơ hình một TBA (Trạm biến áp) phụ tải cấp điện cho 1 cụm dân cư có
nguồn NLMTMN đấu vào lưới điện.
C
C
R
L
T
U
D
Hình 1. 4. Sơ đồ nguyên lý của 1 TBA có các nguồn NLMTMN nối lưới
1.1.2 Phân loại điện mặt trời áp mái
a. Điện mặt trời hòa lưới (On-grid)
Hiện tại đây là dạng hệ thống phổ biến nhất Việt Nam. Hệ thống hịa lưới cần có
điện lưới để hoạt động và khơng sử dụng acquy được xem như là kho năng lượng dự trữ
và tiêu thụ cho PV.
Năng lượng mặt trời được hấp thu trực tiếp qua tấm pin năng lượng mặt trời tạo ra
dịng điện một chiều DC. Sau đó thơng qua bộ chuyển đổi điện hòa lưới (DC/AC inverter
9
on grid). Dòng điện được chuyển đổi thành điện xoay chiều AC, cùng pha, cùng tần số
với điện lưới quốc gia. Hệ thống sẽ hòa chung với điện lưới quốc gia cùng cung cấp điện
cho các thiết bị điện.
Trong trường hợp điện mặt trời tạo ra nhiều hơn tải sử dụng, lượng điện dư sẽ chạy
ra lưới điện quốc gia đi qua đồng hồ đo đếm. Đồng hồ đo đếm sẽ lưu lại con số này vào
bộ nhớ của đồng hồ. Khi có hợp đồng mua bán điện sẽ được trả tiền dựa trên con số này.
Trong trường hợp ít hơn, lúc này tải sẽ lấy điện năng từ lưới vào để hoạt động.
Đồng hồ ghi lại giá trị điện năng cấp vào và lượng điện mặt trời trả ngược ra lưới
là đồng hồ hai chiều.
C
C
R
L
T
U
D
Hình 1. 5. Sơ đồ hệ thống điện mặt trời hòa lưới
b. Điện mặt trời độc lập (Off-grid)
Là hệ thống điện mặt trời không sử dụng điện lưới thường được sử dụng ở những
nơi không có điện lưới hoặc khu vực có điện lưới tuy nhiên điểm đấu nối đến lưới là quá
xa.
Hệ thống hoạt động gần giống như hệ thống On-grid tuy nhiên sử dụng hệ thống
acquy lưu trữ năng lượng để sử dụng cho mọi loại tải trong nhà.
10
Toàn bộ điện năng dư do hệ thống tạo ra, thay vì trả ngược ra lưới chúng sẽ được
nạp vào các acquy. Sau khi sạc đầy năng lượng mặt trời sẽ được điều tiết lại để không làm
hỏng acquy do đó các tấm pin khơng thể hoạt động với mức công suất đỉnh trong phần
lớn thời gian hoạt động. Khi các tấm pin khơng cịn cung cấp đủ điện năng cho tải, nguồn
năng lượng thiếu sẽ được lấy từ acquy.
c. Điện mặt trời Hybrid
Đây là mơ hình tích hợp của hai mơ hình trên. Trong q trình hoạt động nếu điện
năng tiêu thụ của tải nhỏ hơn điện năng do các tấm pin mặt trời tạo ra, lượng điện năng dư
sẽ được nạp vào acquy. Khi acquy nạp đầy lượng điện năng dư sẽ được trả ngược ra lưới.
Khi năng lượng từ các tấm pin không đủ để cung cấp cho tải sử dụng năng lượng
C
C
trong acquy sẽ được lấy ra để bù vào phần này. Trong trường hợp năng lượng acquy
không đủ cung cấp điện lưới sẽ cung cấp phần năng lượng còn thiếu cho tải.
R
L
Trong trường hợp điện mất, năng lượng từ acquy sẽ nuôi tải cho tới khi cạn acquy.
T
U
D
Hình 1. 6. Sơ đồ hệ thống điện mặt trời Hybrid
Ta có thể xem hệ thống Hybrid giống như hệ thống hòa lưới On-grid nhưng lại trang bị
acquy lưu trữ.
11
Từ 3 mơ hình trên ta thấy hệ thống hịa lưới là hệ thống ĐMTMN phổ biến nhất do kết
cấu đơn giản và giá thành rẻ nhất trong 3 mô hình ĐMTMN có cùng cơng suất, mặt khác
hệ thống hịa lưới không sử dụng acquy lưu trữ nên tránh được trường hợp acquy rị rỉ gây
ơ nhiễm mơi trường nên thường được hầu hết hộ gia đình hay doanh nghiệp lựa chọn.
Nguồn ĐMTMN có cấu tạo khá đơn giản: các tấm pin mặt trời thơng dụng có cơng
suất mơdul panel khoảng trên 290 440Wp được thiết kế kiểu panel với kích thước 1956
x 992 x 50 mm, diện tích khoảng trên 1,9 m2. Quang năng từ mặt trời sẽ qua tấm panel
chuyển hóa thành dịng điện một chiều. Tấm panel được nối qua đường cáp tới bộ chuyển
đổi dòng một chiều DC sang dòng xoay chiều AC, sau khi được điều chỉnh về tần số 50
Hz và nâng lên điện áp hạ áp (380V), hoặc trung áp (22kV) và đảm bảo các thông số kỹ
thuật khác, điện sẽ được đưa vào lưới điện công cộng và cung cấp cho tiêu dùng trong
C
C
nhà.
2
Nếu ta có diện tích mái nhà khoảng 20m thì có thể lắp đặt được 10 panel pin mặt
R
L
trời, công suất điện cực đại thu được khoảng trên 3kWp, đủ dùng cho các thiết bị điện
T
thông dụng trong một gia đình. Diện tích mái rộng bao nhiêu thì có thể lắp đặt được công
suất lớn bấy nhiêu.
U
D
Công suất PV phụ thuộc vào 3 yếu tố
+ Công suất bức xạ trực tiếp
+ Chênh lệch nhiệt độ mặt trên và mặt dưới tấm pin
+ Hướng lắp pin ( hiện tại ở Việt nam đang lắp theo hướng nam - tây nam)
1.1.3. Ưu điểm của nguồn điện mặt trời mái nhà
Điện mặt trời mái nhà là loại hình nguồn điện có nhiều ưu điểm so với mơ hình
ĐMT tập trung, cụ thể:
Thứ nhất: Khơng tốn diện tích đất do ĐMTMN được lắp đặt trên mái nhà các vị trí
đã được xây dựng và sử dụng vào mục đích hữu ích khác.
Thứ hai: ĐMTMN giúp tăng cường chống nóng hiệu quả cho các cơng trình hiện
hữu, nhất cử lưỡng tiện.
12
Thứ ba: Vì ĐMTMN có quy mơ nhỏ, lắp đặt phân tán nên được đấu nối vào lưới
điện hạ áp và trung áp hiện hữu, không cần đầu tư thêm hệ thống lưới điện truyền tải tốn
kém.
Thứ tư: ĐMTMN được lắp đặt nhiều ở các mái nhà trong thành phố, trong khu
cơng nghiệp nên có tác dụng làm giảm q tải lưới điện truyền tải từ các nguồn điện
truyền thống, thường đặt ở xa các trung tâm đông dân. Hiện mơ hình phát điện phân tán
đang được khuyến khích phát triển cịn có mục đích làm giảm bớt quy mơ các trung tâm
nguồn điện, giảm nguy cơ khi sự cố ở trung tâm nguồn điện lớn sẽ gây thiếu hụt lượng
công suất lớn, gây sụt điện áp, tần số lưới điện và có thể rã lưới.
Thứ năm: Khu vực miền Nam đang đứng trước nguy cơ hiển hiện về nguồn điện
không đủ cung cấp tại chỗ, nhiều nguồn nhiệt điện than đang xây dựng và chuẩn bị xây
C
C
dựng tại miền Nam gặp khó khăn về địa điểm, nguồn vốn, nhiên liệu, cảng tập kết vận
chuyển than... Nếu phát triển nhanh được ĐMTMN sẽ giảm đáng kể nguy cơ thiếu nguồn
R
L
điện tại chỗ.
T
Ví dụ khi có 150 ngàn hộ tại khu vực Thành phố Hồ Chí Minh đầu tư từ 3 - 5 kW
ĐMTMN, có thể tạo ra cơng suất điện tại chỗ khoảng 600 MW trong giờ cao điểm trưa,
U
D
tương đương công suất một nửa nhà máy nhiệt điện than như Vĩnh Tân 1 hoặc Duyên Hải
1.
Thứ sáu: ĐMTMN với quy mơ nhỏ, thích hợp để khuyến khích nhiều cá nhân, tổ
chức tham gia đầu tư kinh doanh với vốn khơng lớn, đạt mục tiêu xã hội hóa - huy động
các nguồn vốn phát triển nguồn điện, giảm gánh nặng ngân sách Nhà nước.
Thứ bảy: hiện nay chi phí lắp đặt ĐMTMN khơng lớn khoảng từ 12-15 triệu
đồng/1KWP ( cịn cơng suất lớn hơn 10MWP thì chi phí khoảng 12 triệu động/1KWP)
1.1.4. Các chính sách hỗ trợ ĐMTMN của cơ quan quản lý Nhà nước và EVN
Trong các chính sách khuyến khích phát triển nguồn năng lượng tái tạo, ĐMT là
loại hình được hưởng nhiều cơ chế ưu đãi.
13
Ngày 11 tháng 4 năm 2017 Thủ tướng Chính phủ đã ban hành Quyết định số
11/2017/QĐ-TTg về cơ chế khuyến khích phát triển các dự án ĐMT tại Việt Nam, trong
đó có nêu giá bán điện từ các nhà máy ĐMT, bao gồm cả từ trang trại ĐMT và ĐMTMN
là 9,35 US cent/ kWh (2086 đồng/ kWh theo tỷ giá chuyển đổi năm 2017). Sau đó đã có
Thơng tư 16 /2017 /TT-BCT ngày 12 tháng 9 năm 2017 của Bộ Công Thương quy định
về phát triển dự án và Hợp đồng mua bán điện mẫu áp dụng cho các dự án ĐMT đã có
các nội dung khuyến khích và hướng dẫn bên mua điện (các đơn vị điện lực thuộc EVN)
và bên bán điện lập hợp đồng mua bán điện trên cơ sở Hợp đồng mẫu được Bộ Công
Thương ban hành.
Để khuyến khích hơn nữa phát triển ĐMTMN, ngày 8 tháng 1 năm 2019 Thủ
tướng Chính phủ lại ban hành Quyết định số 02/2019/QĐ-TTg của về sửa đổi một số điều
C
C
của Quyết định số 11/2017/QĐ-TTg ngày 11 tháng 4 năm 2017, trong đó thay vì hộ đầu
tư ĐMTMN chỉ bán phần dư của điện từ nguồn ĐMTMN như quy định trước (qua cơ chế
R
L
bù trừ), thì sẽ được bán tồn bộ lượng điện sản xuất từ ĐMTMN với giá ưu đãi, còn vẫn
T
mua riêng rẽ điện của EVN với giá hiện hành (bình quân 1720 đồng/ kWh) qua điện kế 2
chiều.
U
D
Mặc dù phải mua điện từ các nguồn ĐMT với giá cao hơn giá bán điện bình quân
hiện hành, nhưng xuất phát từ lợi ích chung của xã hội và lợi ích của người dân và doanh
nghiệp, EVN đã và đang có nhiều hoạt động hỗ trợ, khuyến khích ĐMTMN. EVN đã có
các văn bản số 1337/EVN-KD ngày 21 tháng 3 năm 2018 và văn bản số 5113/EVN-KD
ngày 9 tháng 10 năm 2018 gửi các tổng công ty điện lực và Công ty Viễn thông Điện lực
và Công nghệ Thông tin về việc hướng dẫn tạm thời đối với các dự án ĐMT trên mái nhà,
trong đó có các hướng dẫn ban đầu để tạo điều kiện cho các doanh nghiệp và tư nhân đầu
tư phát triển ĐMTMN.
Nỗ lực của EVN và những kết quả ban đầu về phát triển ĐMTMN
EVN đã chỉ đạo các đơn vị thành viên tiên phong thực hiện lắp đặt ĐMTMN trên
mái các tòa nhà trụ sở, mái các cơng trình điều hành, trạm biến áp; tăng cường các hoạt
động tuyên truyền quảng bá để doanh nghiệp và người dân đầu tư ĐMTMN, v.v...
14
Đến cuối năm 2018 tại các cơng trình xây dựng trực thuộc các đơn vị thành viên
của EVN đã có trên 3,2 MW công suất ĐMTMN được lắp đặt, trong đó tại Tổng Cơng ty
Điện lực Hà Nội: 52 kWp, tại Tổng Công ty Điện lực miền Trung: 352 kWp, tại Tổng
Công ty Điện lực miền Nam: 1.985 kWp.
Đến cuối năm 2018, trên địa bàn TP. HCM đã có 906 hộ gia đình, cơng sở và
doanh nghiệp đã thực hiện lắp đặt ĐMTMN với tổng công suất đạt gần 10,4 MWp. Tổng
Công ty Điện lực TPHCM (EVNHCMC) đã thực hiện lắp đặt được gần 1,128 MWp
ĐMTMN và đang triển khai lắp đặt 2,658 MWp tại trụ sở và các công trình thuộc đơn vị
quản lý.
Theo tổng hợp từ EVN, kết quả phát triển ĐMTMN trong năm 2018 trên toàn quốc
ước tính có 1.800 khách hàng lắp đặt được 30,12 MWp công suất ĐMTMN, với điện
C
C
năng phát lên lưới là 3,97 triệu kWh.
R
L
1.1.5. Tại sao nên lắp đặt điện mặt trời hịa (nối) lưới
T
Chi phí lắp đặt hệ thống điện mặt trời cho gia đình rất hợp lý. Do cơng nghệ kỹ thuật
hiện đại được cải tiến nên chi phí giảm xuống rất nhiều so với trước.
U
D
1. Nhà nước đã có những chính sách rất tốt. Ưu tiên sử dụng điện năng lượng mặt trời
cho hộ gia đình.
2. Lắp đặt hệ thống điện mặt trời hịa lưới chính là một giải pháp hữu ưu việt cho các
công ty. Mang đến hiệu quả kinh doanh cao với chi phí đầu tư thấp.
3. Lắp đặt hệ thống máy phát điện năng lượng mặt trời cho gia đình mình. Chúng ta
đã thể hiện trách nhiệm của bản thân với môi trường và thiên nhiên.
4. Hệ thống điện mặt trời gia đình có độ bền cao. Thời gian bảo hành lâu dài (25 năm
với pin mặt trời, 5 năm với bộ hòa lưới)
5. Khách hàng dễ dàng nâng cấp mở rộng hệ thống.
6. Điện mặt trời nối lưới mang đến sự hiện đại của ngôi nhà cũng như công ty.
15
1.1.6. Những khó khăn cần tháo gỡ để tăng trưởng nguồn ĐMTMN trong tương lai
Một là: Mặc dù giá thiết bị cho đầu tư ĐMT đã giảm nhanh trong vòng một thập
kỷ qua, nhưng theo các đánh giá chuyên gia, hiện nay đơn giá lắp đặt ĐMTMN còn cao,
khoảng 20 triệu đến 23 triệu đồng cho mỗi kWp công suất (tùy theo chất lượng tấm pin).
Vì vậy, giá thành điện sản xuất ra cũng chưa cạnh tranh.
Mặt khác, theo các điều tra khí tượng, khu vực miền Bắc và Bắc Trung bộ có số
giờ nắng ít hơn khu vực miền Nam Trung bộ và Tây Nguyên, hiệu quả đầu tư ĐMTMN
tại đây cũng cịn thấp.
Hai là: Do cịn chậm có Thông tư hướng dẫn của cơ quan quản lý Nhà nước về cơ
chế thanh toán tiền mua bán điện, mức thế áp dụng, các tiêu chuẩn kỹ thuật, cơ chế quy
định cụ thể cho các nhà đầu tư (bên thứ 3) tham gia kinh doanh, cơ chế tài chính hỗ trợ
C
C
cho người dân và doanh nghiệp đầu tư, nên hiện EVN chưa thể ký hợp đồng mua bán điện
cụ thể với các khách hàng ĐMTMN phát điện lên lưới, làm nhiều hộ cịn chần chừ, chờ
R
L
đợi, dẫn đến quy mơ phát triển ĐMT cịn chưa tương xứng với tiềm năng.
1.2.
T
Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nƣớc
1.2.1. Trong nước
U
D
Hiện tại chưa có nghiên cứu nào về vấn đề điều khiển đóng cắt các nhà máy điện
mặt trời áp mái. Chỉ có các nghiên cứu về điều khiển cơng suất nguồn điện mặt trời trên
bộ nghịch lưu. Như [16] “Trên cơ sở phân tích mơ tả tốn học của sóng hài dòng điện, tác
giả đã nghiên cứu và đề xuất bốn giải pháp để giảm sóng hài cho nghịch lưu nối lưới” nên
kết quả cũng không đả động đến việc quá tải cho MBA. Theo [18], tác giả có nói đến mơ
hình nhà máy điện ảo phân tán, tuy vậy, cũng chỉ mới nghiên cứu ở mức điều khiển công
suất trực tiếp. Do vậy việc tối ưu cung cấp nguồn phân tán ĐMTMN có thể nói là chưa
được nghiên cứu nào trong nước đề cập.
1.2.2. Ngồi nước
Tình hình nghiên cứu ngồi nước cũng khơng có gì thay đổi.
