Tài liệu Nghiên cứu điều khiển tối ưu công suất cho hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.77 MB, 117 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM
---------------------------
LƯƠNG HỒNG NAM
NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CƠNG
SUẤT CHO HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG
MẶT TRỜI NỐI LƯỚI
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202
TP. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2016
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM
---------------------------
LƯƠNG HỒNG NAM
NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CƠNG
SUẤT CHO HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG
MẶT TRỜI NỐI LƯỚI
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. HUỲNH CHÂU DUY
TP. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2016
CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ TP. HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: HUỲNH CHÂU DUY
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM
ngày 25 tháng 9 năm 2016
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)
Họ và tên
TT
Chức danh Hội đồng
1
TS. Nguyễn Xuân Hoàng Việt
Chủ tịch
2
PGS. TS. Nguyễn Cao Cường
Phản biện 1
3
GS. TS. Nguyễn Kim Hùng
Phản biện 2
4
PGS. TS. Lê Chí Kiên
5
TS. Đồn Thị Bằng
Ủy viên
Ủy viên, Thư ký
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá sau khi Luận văn đã được
sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV
TRƯỜNG ĐH CƠNG NGHỆ TP. HCM
CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
PHÒNG QLKH – ĐTSĐH
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
Tp.HCM, ngày
tháng 6 năm 2016.
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: LƯƠNG HỒNG NAM
Giới tính: NAM
Ngày, tháng, năm sinh: 06/6/1973
Nơi sinh: Tỉnh Đồng Tháp
Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN
MSHV: 14411830042
I- Tên đề tài:
“NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT CHO HỆ THỐNG ĐIỆN
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI NỐI LƯỚI”
II- Nhiệm vụ và nội dung:
-
Tổng quan tình hình khai thác và sử dụng năng lượng điện mặt trời trên thế
giới và tại Việt Nam.
-
Nghiên cứu pin quang điện và các đặc tính V-I và V-P của nó.
-
Nghiên cứu thuật tốn điều khiển bám điểm cơng suất cực đại của hệ pin
quang điện.
-
Nghiên cứu nối lưới hệ thống điện năng lượng mặt trời.
III- Ngày giao nhiệm vụ:
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ:
V- Cán bộ hướng dẫn: TS. HUỲNH CHÂU DUY
CÁN BỘ HUỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)
KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)
i
LỜI CAM ÐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng Tôi. Các số liệu
và kết quả nghiên cứu được trình bày trong Luận văn là trung thực và chưa từng
được ai công bố ở bất kỳ đâu.
Tôi xin cam đoan mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã
được cảm ơn.
Tôi cũng xin cam đoan các nội dung tham khảo trong Luận văn đã được
trích dẫn đầy đủ nguồn gốc.
Học viên thực hiện Luận văn
Lương Hoàng Nam
ii
LỜI CÁM ƠN
Đầu tiên, xin chân thành cám ơn Thầy TS. HUỲNH CHÂU DUY đã tận
tình hướng dẫn, giúp đỡ và đóng góp những ý kiến quý báu cho quá trình thực
hiện Luận văn này.
Xin cám ơn q Thầy, Cơ đã trang bị cho Tôi các kiến thức quý báu trong
q trình học tập giúp Tơi đủ năng lực để thực hiện Luận văn này.
Xin cảm ơn tập thể lớp 14SMĐ21 đã động viên và giúp đỡ Tơi trong q
trình thực hiện Luận văn này.
Cuối cùng, xin cám ơn Trường Đại học Công nghệ Tp. HCM; Khoa Cơ Điện - Điện tử; Phòng Quản lý Khoa học - Đào tạo sau Đại học và Cơ quan nơi
Tôi đang công tác đã tạo các điều kiện tốt nhất cho tôi thực hiện Luận văn này.
Lương Hoàng Nam
iii
TÓM TẮT
Luận văn tập trung các vấn đề liên quan đến “Nghiên cứu điều khiển tối
ưu công suất cho hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới” bao gồm các
nội dung như sau:
- Chương 1: Giới thiệu chung
- Chương 2: Tổng quan tình hình nghiên cứu và khai thác nguồn năng lượng
điện mặt trời và pin quang điện
- Chương 3: Pin quang điện và hệ thống pin quang điện kết nối lưới
- Chương 4: Thuật tốn bám điểm cơng suất cực đại
- Chương 5: Mô phỏng điều khiển tối ưu công suất và kết nối lưới của một hệ
thống điện năng lượng mặt trời
- Chương 6: Kết luận và hướng phát triển tương lai
iv
ABSTRACT
The thesis presents issues relating to "Maximum power point tracking
control of a grid-connected solar energy systems" that includes the following
contents:
- Chapter 1: Introduction
- Chapter 2: Literature review of the exploitation and utilization of the solar
energy source and photovoltaic cell
- Chapter 3: Photovoltaic cell and grid-connected solar photovoltaic system
- Chapter 4: Algorithms for maximum power point tracking
- Chapter 5: Simulation results of a grid-connected solar energy system
with maximum power point tracking
- Chapter 6: Conclusions and future works
v
MỤC LỤC
LỜI CAM ÐOAN ................................................................................................... i
LỜI CÁM ƠN ........................................................................................................ ii
TÓM TẮT ............................................................................................................. iii
ABSTRACT .......................................................................................................... iv
MỤC LỤC .............................................................................................................. v
DANH SÁCH HÌNH VẼ .................................................................................... viii
DANH SÁCH BẢNG ......................................................................................... xiii
CHƯƠNG 1 - GIỚI THIỆU CHUNG ................................................................ 1
1.1. Giới thiệu......................................................................................................... 1
1.2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu .................................................................... 2
1.3. Tính cấp thiết của đề tài .................................................................................. 2
1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ................................................................... 2
1.5. Ý nghĩa của đề tài ............................................................................................ 3
1.5.1. Ý nghĩa khoa học ......................................................................................... 3
1.5.2. Ý nghĩa thực tiễn .......................................................................................... 3
1.6. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................ 4
1.7. Bố cục của luận văn ....................................................................................... 4
CHƯƠNG 2 - TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ KHAI
THÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI VÀ PIN QUANG
ĐIỆN ..................................................................................................................... 5
2.1. Cấu trúc mặt trời ............................................................................................ 5
2.2. Quỹ đạo của trái đất quanh mặt trời ............................................................... 7
2.3. Góc cao độ của mặt trời vào buổi trưa ........................................................... 8
2.4. Bức xạ mặt trời ............................................................................................. 10
2.5. Ứng dụng năng lượng mặt trời ..................................................................... 14
2.5.1. Pin mặt trời ................................................................................................ 15
2.5.2. Nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng mặt trời ..................................... 16
2.5.3. Động cơ Stirling chạy bằng năng lượng mặt trời ...................................... 17
2.5.4. Thiết bị đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời ................................... 18
vi
2.5.5. Thiết bị làm lạnh và điều hịa khơng khí dùng năng lượng mặt trời .......... 19
2.6. Tình hình khai thác năng lượng mặt trời tại Việt Nam ................................ 20
2.7. Tổng quan tình hình nghiên cứu .................................................................. 24
CHƯƠNG 3 - PIN QUANG ĐIỆN VÀ HỆ THỐNG PIN QUANG ĐIỆN
KẾT NỐI LƯỚI ................................................................................................. 28
3.1. Giới thiệu....................................................................................................... 28
3.2. Sơ đồ thay thế đơn giản của PV .................................................................... 30
3.3. Sơ đồ thay thế của PV có xét đến các tổn hao .............................................. 32
3.4. Module PV .................................................................................................... 32
3.5. Mảng PV ....................................................................................................... 34
3.5.1. Nối nối tiếp nhiều module PV .................................................................... 34
3.5.2. Nối song song nhiều module PV ................................................................ 34
3.5.3. Nối hỗn hợp nhiều module PV ................................................................... 35
3.6. Các ảnh hưởng đến PV.................................................................................. 35
3.6.1. Ảnh hưởng của cường độ chiếu sáng ......................................................... 35
3.6.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ ............................................................................. 36
3.6.3. Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm ........................................................ 37
3.7. Các hệ thống PV ứng dụng ........................................................................... 41
3.7.1. Hệ thống PV độc lập .................................................................................. 41
3.7.2. Hệ thống PV kết nối lưới ........................................................................... 41
3.8. Cấu hình DC/DC - DC/AC ........................................................................... 47
3.8.1. Bộ biến đổi DC/DC .................................................................................... 47
3.8.2. Bộ biến đổi DC/AC .................................................................................... 51
CHƯƠNG 4 - THUẬT TOÁN BÁM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI ......... 61
4.1. Giới thiệu....................................................................................................... 61
4.2. Thuật toán P&O (Perturbation & Observation) ............................................ 62
4.3. Thuật toán điện dẫn gia tăng (InC - Incremental Conductance) ................... 66
4.4. Thuật toán điện áp hằng số............................................................................ 68
4.5. Phương pháp điều khiển MPPT .................................................................... 70
4.5.1. Phương pháp điều khiển PI ........................................................................ 70
4.5.2. Phương pháp điều khiển trực tiếp .............................................................. 71
vii
4.5.3. Phương pháp điều khiển đo trực tiếp tín hiệu ra ........................................ 73
4.6. Đề xuất thuật tốn bám điểm cơng suất cực đại ........................................... 74
CHƯƠNG 5- MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT VÀ KẾT
NỐI LƯỚI CỦA MỘT HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI .. 76
5.1. Giới thiệu....................................................................................................... 76
5.2. Mô phỏng pin quang điện ............................................................................. 77
5.3. Khối DC/DC MPPT ...................................................................................... 81
5.4. Kết quả mô phỏng tương ứng với điều kiện bức xạ thay đổi và nhiệt độ
không đổi .............................................................................................................. 81
5.4.1. Điều kiện bức xạ, G = 1 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C ............................ 81
5.4.2. Điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C ......................... 85
5.4.3. Điều kiện bức xạ, G = 0,6 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C ......................... 87
5.5. Kết quả mô phỏng tương ứng với điều kiện bức xạ không đổi và nhiệt độ
thay đổi ................................................................................................................. 90
5.5.1. Điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 150C ......................... 90
5.5.2. Điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C ......................... 93
5.5.3. Điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 300C ......................... 95
5.5.4. Điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 350C .......................... 98
CHƯƠNG 6 - KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN TƯƠNG LAI .... 102
6.1. Kết luận ....................................................................................................... 102
6.2. Hướng phát triển tương lai .......................................................................... 102
Tài liệu tham khảo ............................................................................................. 103
viii
DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 2.1. Cấu trúc của mặt trời ............................................................................ 5
Hình 2.2. Quỹ đạo trái đất quay quanh mặt trời ................................................... 8
Hình 2.3. Quỹ đạo trái đất .................................................................................... 9
Hình 2.4. Góc cao độ mặt trời .............................................................................. 9
Hình 2.5. Dải bức xạ điện từ ............................................................................... 10
Hình 2.6. Góc nhìn mặt trời ................................................................................ 11
Hình 2.7. Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển của
trái đất................................................................................................. 13
Hình 2.8. Hệ thống pin mặt trời .......................................................................... 15
Hình 2.9. Nhà máy điện mặt trời ........................................................................ 16
Hình 2.10. Tháp năng lượng mặt trời ................................................................. 17
Hình 2.11. Động cơ Stirling dùng năng lượng mặt trời ...................................... 17
Hình 2.12. Hệ thống cung cấp nước nóng dùng năng lượng mặt trời ................ 19
Hình 2.13. Hệ thống máy lạnh dùng năng lượng mặt trời ................................. 20
Hình 3.1. Phổ năng lượng mặt trời ..................................................................... 28
Hình 3.2. Nguyên tắc chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện
của PV ................................................................................................ 29
Hình 3.3. Mơ hình đơn giản của PV ................................................................... 30
Hình 3.4. Sơ đồ thay thế đơn giản của PV.......................................................... 30
Hình 3.5. Các tham số quan trọng của PV: dòng điện ngắn mạch, Isc và điện áp
hở mạch, Voc ..................................................................................... 31
Hình 3.6. Mơ hình thay thế PV có xét đến các tổn hao ...................................... 32
Hình 3.7. Đặc tính PV có xét đến các ảnh hưởng của Rs và Rp ........................ 32
Hình 3.8. Module PV .......................................................................................... 33
Hình 3.9. Đặc tính của module PV ..................................................................... 33
Hình 3.10. Các module PV được kết hợp nối tiếp với nhau ............................... 34
Hình 3.11. Các module PV được kết hợp song song với nhau .......................... 34
Hình 3.12. Các module PV được kết hợp hỗn hợp với nhau .............................. 35
ix
Hình 3.13. Đặc tuyến V-I của PV với các cường độ chiếu sáng khác nhau và
nhiệt độ PV không đổi, 250C ............................................................. 36
Hình 3.14. Đặc tuyến V-I của PV với các nhiệt độ khác nhau và cường độ chiếu
sáng không đổi 1 kW/m2 ................................................................... 36
Hình 3.15. Module PV với n PV trong trường hợp module khơng bị che khuất 37
Hình 3.16. Module PV với n PV trong trường hợp module bị che khuất một
phần .................................................................................................... 37
Hình 3.17. Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm đối với module PV ............... 38
Hình 3.18. Module PV với nhiều PV bị che khuất ............................................. 39
Hình 3.19. Module PV sử dụng diode bypass .................................................... 39
Hình 3.20. Đặc tính của PV trong trường hợp sử dụng diode bypass ................ 40
Hình 3.21. Đánh giá so sánh giữa các trường hợp có và khơng có diode bypass40
Hình 3.22. Hệ thống PV kết nối lưới .................................................................. 41
Hình 3.23. Hệ thống PV độc lập ......................................................................... 43
Hình 3.24. Hệ thống PV kết hợp ........................................................................ 44
Hình 3.25. Sơ đồ pha của hệ PV kết nối với lưới điện ...................................... 44
Hình 3.26. Hệ PV kết nối lưới điện đơn giản ..................................................... 45
Hình 3.27. Sơ đồ khối mô tả hệ PV kết nối lưới ................................................ 46
Hình 3.28. Kiểu máy biến áp tần số thấp và cao ................................................ 46
Hình 3.29. Kiểu khơng cách ly bằng máy biến áp .............................................. 47
Hình 3.30. Các bộ biến đổi DC-DC chuyển mạch cổ điển ................................. 48
Hình 3.31. Bộ biến đổi Buck-Boost.................................................................... 48
Hình 3.32. Sơ đồ xung kích, dịng tải và dịng qua cuộn cảm ............................ 50
Hình 3.33. Sơ đồ nghịch lưu 3 pha hịa lưới ....................................................... 51
Hình 3.34. Bộ điều khiển nghịch lưu 3 pha hịa lưới.......................................... 52
Hình 3.35. Sơ đồ hệ thống điều khiển PLL ........................................................ 53
Hình 3.36. Tín hiệu ngõ ra VCO ........................................................................ 54
Hình 3.37. Sơ đồ thực hiện bộ PLL 3 pha .......................................................... 55
Hình 3.38. Hệ trục tọa độ .............................................................................. 56
Hình 3.39. Hệ trục tọa độ dq............................................................................... 58
Hình 3.40. Tồn bộ hệ thống nghịch lưu hòa lưới sử dụng PLL ........................ 59
x
Hình 4.1. Quan hệ điện áp và dịng điện của PV ................................................ 61
Hình 4.2. Thuật tốn P&O khi tìm điểm làm việc có cơng suất lớn nhất .......... 62
Hình 4.3. Lưu đồ thuật tốn P&O....................................................................... 64
Hình 4.4. Sự thay đổi điểm MPP theo gia tăng bức xạ ...................................... 65
Hình 4.5. Thuật tốn InC .................................................................................... 66
Hình 4.6. Lưu đồ thuật tốn InC ......................................................................... 68
Hình 4.7. Lưu đồ thuật tốn điện áp khơng đổi .................................................. 69
Hình 4.8. Sơ đồ khối phương pháp điều khiển MPPT sử dụng bộ bù PI ........... 70
Hình 4.9. Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển trực tiếp MPPT .................. 71
Hình 4.10. Mối quan hệ giữa tổng trở vào Rin và hệ số làm việc D .................. 73
Hình 5.1. Sơ đồ hệ thống điện năng lượng mặt trời bám điểm công suất cực đại
và nối lưới .......................................................................................... 76
Hình 5.2. Sơ đồ mơ phỏng hệ thống điện năng lượng mặt trời bám điểm công
suất cực đại và nối lưới ...................................................................... 77
Hình 5.3. Hệ pin quang điện (10 nối tiếp x 02 song song) ................................. 78
Hình 5.4. Hệ pin quang điện tương ứng với các điều kiện bức xạ, G (kW/m2) và
nhiệt độ, T (0C) khác nhau................................................................. 78
Hình 5.5. Lưới 3 pha điện áp 220 V và tần số 50 Hz ......................................... 79
Hình 5.6. Đặc tuyến V-I tương ứng với các điều kiện bức xạ 1 kW/m2; 0,8
kW/m2 và 0,6 kW/m2 và nhiệt độ mơi trường 250C ........................ 80
Hình 5.7. Đặc tuyến V-P tương ứng với các điều kiện bức xạ 1 kW/m2; 0,8
kW/m2 và 0,6 kW/m2 và nhiệt độ mơi trường 250C ......................... 80
Hình 5.8. Bộ biến đổi DC/DC và bám điểm công suất cực đại (MPPT) ............ 81
Hình 5.9. Điện áp, Vdc ....................................................................................... 82
Hình 5.10. Cường độ dòng điện của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương
ứng với điều kiện bức xạ G = 1 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C ......... 82
Hình 5.11. Điện áp của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều
kiện bức xạ G = 1 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C .............................. 83
Hình 5.12. Cơng suất của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều
kiện bức xạ G = 1 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C .............................. 84
xi
Hình 5.13. Cường độ dịng điện của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương
ứng với điều kiện bức xạ G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C ...... 85
Hình 5.14. Điện áp của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều
kiện bức xạ G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C ........................... 85
Hình 5.15. Cơng suất của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều
kiện bức xạ G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C ........................... 86
Hình 5.16. Cường độ dòng điện của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương
ứng với điều kiện bức xạ G = 0,6 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C ...... 87
Hình 5.17. Cơng suất của hệ PV sử dụng thuật tốn P&O và P&O thích nghi
với G thay đổi bậc thang .................................................................... 88
Hình 5.18. Cơng suất của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều
kiện bức xạ G = 0,6 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C ........................... 88
Hình 5.19. Đặc tuyến V-P tương ứng với các điều kiện bức xạ 0,8 kW/m2 và
nhiệt độ môi trường 150C ................................................................... 90
Hình 5.20. Cường độ dịng điện của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương
ứng với điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 150C ..... 90
Hình 5.21. Điện áp của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều
kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 150C .......................... 91
Hình 5.22. Cơng suất của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều
kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 150C .......................... 92
Hình 5.23. Cường độ dịng điện của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương
ứng với điều kiện bức xạ G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C ...... 93
Hình 5.24. Điện áp của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều
kiện bức xạ G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C ........................... 93
Hình 5.25. Cơng suất của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều
kiện bức xạ G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C ........................... 94
Hình 5.26. Đặc tuyến V-P tương ứng với các điều kiện bức xạ 0,8 kW/m2 và
nhiệt độ môi trường 300C ................................................................... 95
Hình 5.27. Cường độ dịng điện của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương
ứng với điều kiện bức xạ G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 300C ...... 95
xii
Hình 5.28. Điện áp của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều
kiện bức xạ G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 300C ............................ 96
Hình 5.29. Công suất của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều
kiện bức xạ G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 300C ............................ 97
Hình 5.30. Đặc tuyến V-P tương ứng với các điều kiện bức xạ 0,8 kW/m2 và
nhiệt độ mơi trường 350C ................................................................... 98
Hình 5.31. Cường độ dòng điện của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương
ứng với điều kiện bức xạ G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 350C ....... 98
Hình 5.32. Điện áp của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều
kiện bức xạ G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 350C ............................ 99
Hình 5.33. Công suất của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều
kiện bức xạ G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 350C .......................... 100
xiii
DANH SÁCH BẢNG
Bảng 2.1. Bảng ngày số n của ngày đầu tiên của mỗi tháng ................................ 8
Bảng 2.2. Bảng thống kê góc của ngày 21 mỗi tháng ....................................... 9
Bảng 2.3. Tiềm năng năng lượng mặt trời tại Việt Nam .................................... 21
Bảng 3.1. Bảng phân loại tuần hồn trích lược với tinh thể Silicon thuộc nhóm
IV........................................................................................................ 29
Bảng 4.1. Bảng tóm tắt thuật tốn leo đồi P&O ................................................. 63
Bảng 5.1. Thơng số của 01 PV và hệ với 10 PV ................................................ 78
Bảng 5.2. So sánh các kết quả mô phỏng tương ứng với điều kiện bức xạ thay
đổi, G = 1; 0,8 và 0,6 kW/m2; nhiệt độ, T = 250C không thay đổi.... 89
Bảng 5.3. So sánh các kết quả mô phỏng tương ứng với điều kiện nhiệt độ thay
đổi khác nhau, T = 15; 25; 30 và 350C; và bức xạ, G = 0,8 kW/m2
không thay đổi ................................................................................. 101
1
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG
1.1. Giới thiệu
Ngành năng lượng điện của Việt Nam và thế giới hiện đang gặp phải những
khó khăn như: nhu cầu năng lượng ngày càng tăng nhanh; sự khan hiếm của các
nguồn nhiên liệu hóa thạch; sức ép phải giảm thải khí CO2 do ảnh hưởng đến môi
trường. Điều này đã thúc đẩy các nỗ lực tìm kiếm nguồn năng lượng khác thay thế
bên cạnh việc sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả.
Việt Nam có vị trí địa lý nằm gần xích đạo, có số giờ nắng trung bình 2.000
giờ/năm ở hầu hết các tỉnh. Tại các khu vực đô thị lớn, tiềm năng năng lượng mặt
trời có thể đạt 4,08 - 5,15 kWh/m2/ngày. Điều này chứng tỏ rằng điều kiện tự nhiên
của Việt Nam rất thuận lợi cho sự phát triển và sử dụng các năng lượng tái tạo nói
chung và năng lượng mặt trời nói riêng. Ngồi ra, có thể nhận thấy rằng năng lượng
mặt trời là một trong những nguồn năng lượng có độ tin cậy cao, có thể dự đốn
được và đặc biệt là có năng suất rất cao vào những giờ cao điểm về tiêu thụ điện.
Các nguồn năng lượng tái tạo nói chung và năng lượng mặt trời nói riêng ngày
càng có tầm quan trọng hơn. Tuy nhiên, do đặc thù riêng trong việc áp dụng nên
phần lớn các cơng nghệ năng lượng mặt trời vẫn có giá khá cao và vẫn cần các biện
pháp trợ giá để thúc đẩy phát triển trong tương lai. Điều này thôi thúc các nhà khoa
học khơng ngừng tìm tịi để nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn năng lượng này.
Bên cạnh đó, việc kết nối lưới hệ thống điện năng lượng mặt trời cũng là một
trong các giải pháp được xem xét cho bài toán lưu trữ năng lượng điện mặt trời mà
đang phải gánh chịu các chỉ trích mạnh mẽ liên quan đến ô nhiễm môi trường khi
con người sử dụng các phương án lưu trữ thông qua ắc-quy.
Với các phân tích trên, cho thấy rằng giải pháp “Nghiên cứu điều khiển tối ưu
công suất cho hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới” cũng khơng nằm ngồi
mục tiêu chung đó, nhằm cung cấp cơng suất điện tối đa trong mọi điều kiện môi
trường và đặc biệt hơn là hệ thống điện năng lượng mặt trời này sẽ được nối lưới.
2
1.2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
Đề tài “Nghiên cứu điều khiển tối ưu công suất cho hệ thống điện năng
lượng mặt trời nối lưới” sẽ được thực hiện với các mục tiêu và nội dung như sau:
- Khảo sát tình hình khai thác và sử dụng năng lượng điện mặt trời trên thế
giới và tại Việt Nam.
- Nghiên cứu pin quang điện và các đặc tính V-I và V-P của nó.
- Nghiên cứu thuật tốn điều khiển tối ưu công suất một hệ thống điện năng
lượng mặt trời thông qua PV.
- Nghiên cứu nối lưới hệ thống điện năng lượng mặt trời.
1.3. Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay, nguồn điện để phát triển kinh tế xã hội tại Việt Nam phụ thuộc rất
lớn vào nguồn nhiệu liệu hóa thạch và khí chiếm 53,61%, và nguồn thủy điện chiếm
46,08%. Tuy nhiên, nguồn điện sử dụng từ nguồn nhiên liệu hóa thạch và khí ngày
càng cạn kiệt, giá thành cao; đối với nguồn thủy điện thì có diễn biến rất thất
thường do biến đổi khí hậu tồn cầu. Từ đó, năng lượng tái tạo nổi lên như một
nguồn năng lượng thay thế tất yếu trong hiện tại và tương lai.
Nhận thức được tầm quan trọng, lợi thế và lợi ích của các nguồn năng lượng
tái tạo trước nhu cầu tiêu thụ điện ngày càng tăng phục vụ phát triển kinh tế, theo
dự báo tăng trưởng điện thương phẩm tại Việt Nam bình qn từ 10,5 - 11%, gần
đây Chính phủ Việt Nam đã xem xét việc nghiên cứu, khảo sát, khuyến khích phát
triển năng lượng mới và năng lượng tái tạo.
1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là một hệ thống pin quang điện mặt trời, một
mảng gồm nhiều mô-đun với mỗi mơ-đun có nhiều tế bào pin mặt trời kết nối với
nhau theo một cấu hình cụ thể.
Phạm vi nghiên cứu của đề tài là tìm điểm cơng suất cực đại của hệ thống điện
năng lượng mặt trời dưới các điều kiện bức xạ và nhiệt độ khác nhau sao cho có thể
3
tối ưu hóa năng lượng thu được. Đồng thời, hệ thống điện năng lượng mặt trời này
sẽ được nghiên cứu để kết nối với lưới điện.
1.5. Ý nghĩa của đề tài
1.5.1. Ý nghĩa khoa học
Hiện nay, có nhiều đề tài nghiên cứu về kỹ thuật điều khiển bám điểm công
suất cực đại (MPPT) cho hệ thống pin quang điện mặt trời. Trên cơ sở đó, các thuật
tốn tìm kiếm điểm công suất cực đại lần lượt được đề xuất như thuật toán P&O
(Perturbation and Observation), thuật toán InC (Incremental Conductance), thuật
toán dựa trên kỹ thuật logic mờ, thuật toán dựa trên mạng nơ-rôn, ...
Đề tài khai thác ưu điểm của các thuật toán trên đề xuất một thuật toán bám
điểm công suất cực đại theo một cách tiếp cận cải tiến nhằm nâng cao hiệu quả bám
điểm công suất cực đại so với các thuật toán khác đang sử dụng.
1.5.2. Ý nghĩa thực tiễn
Giải quyết bài toán năng lượng và bài tốn mơi trường hiện nay càng lúc càng
cấp bách mà trong đó năng lượng mặt trời nói riêng và năng lượng tái tạo nói chung
là một hướng đi đúng đắn. Hơn nữa, cơng việc ln địi hỏi phải nâng cao hiệu quả
trong cách khai thác và sử dụng năng lượng mặt trời. Đề tài được nghiên cứu nhằm
mục đích đem đến sự hiệu quả cao nhất trong cách khai thác và sử dụng nhằm góp
phần thúc đẩy sự phát triển của công nghệ xanh này.
Đồng thời, giải pháp kết nối hệ thống điện năng lượng mặt trời với lưới điện
cũng góp phần chia sẻ gánh nặng về khả năng cung cấp điện của các nguồn điện
truyền thống mà hoàn toán phù hợp với Quyết định số 2068/QĐ-TTg của Thủ tướng
chính phủ về phê duyệt chiến lược phát triển năng lượng tái tạo của Việt Nam đến
năm 2030, tầm nhìn đến năm 2050, trong đó liên quan trực tiếp đến định hướng
phát triển nguồn năng lượng mặt trời để cung cấp điện cho hệ thống điện quốc gia
và khu vực biên giới, hải đảo, vùng sâu, vùng xa chưa thể cấp điện từ nguồn điện
lưới quốc gia [1].
4
1.6. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu các tài liệu về điều khiển tối ưu và kết nối lưới của một hệ thống
điện năng lượng mặt trời của Việt Nam và các nước trên thế giới.
Phân tích, tổng hợp và đề xuất các thuật toán điều khiển tối ưu và kết nối lưới
của một hệ thống điện năng lượng mặt trời.
1.7. Bố cục của luận văn
Bố cục của luận văn gồm 6 chương:
- Chương 1: Giới thiệu chung
- Chương 2: Tổng quan tình hình nghiên cứu và khai thác nguồn năng lượng điện
mặt trời và pin quang điện
- Chương 3: Pin quang điện và hệ thống pin quang điện kết nối lưới
- Chương 4: Thuật tốn bám điểm cơng suất cực đại
- Chương 5: Mô phỏng điều khiển tối ưu công suất và kết nối lưới của một hệ
thống điện năng lượng mặt trời
- Chương 6: Kết luận và hướng phát triển tương lai
5
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ
KHAI THÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI VÀ
PIN QUANG ĐIỆN
2.1. Cấu trúc mặt trời [2]
Mặt trời là một khối khí hình cầu có đường kính 1,390.106 km (lớn hơn 110
lần đường kính Trái đất), cách xa trái đất 150.106 km (bằng một đơn vị thiên văn
AU ánh sáng Mặt trời cần khoảng 8 phút để vượt qua khoảng này đến Trái đất).
Khối lượng Mặt trời khoảng M0 =2.1030 kg. Nhiệt độ T0 trung tâm mặt trời
thay đổi trong khoảng từ 10.106 0K đến 20.106 0K, trung bình khoảng 15.600.000
0
K. Ở nhiệt độ như vậy vật chất không thể giữ được cấu trúc trật tự thông thường
gồm các nguyên tử và phân tử. Nó trở thành plasma trong đó các hạt nhân của
nguyên tử chuyển động tách biệt với các electron. Khi các hạt nhân tự do có va
chạm với nhau sẽ xuất hiện những vụ nổ nhiệt hạch. Khi quan sát tính chất của vật
chất nguội hơn trên bề mặt nhìn thấy được của Mặt trời, các nhà khoa học đã kết
luận rằng có phản ứng nhiệt hạch xảy ra ở trong lịng Mặt trời.
Hình 2.1. Cấu trúc của mặt trời
Về cấu trúc, Mặt trời có thể chia làm 4 vùng, tất cả hợp thành một khối cầu khí
khổng lồ, hình 2.1. Vùng giữa gọi là nhân hay “lõi” có những chuyển động đối lưu,
nơi xảy ra những phản ứng nhiệt hạt nhân tạo nên nguồn năng lượng mặt trời, vùng
6
này có bán kính khoảng 175.000 km, khối lượng riêng 160 kg/dm 3, nhiệt độ ước
tính từ 14 đến 20 triệu độ, áp suất vào khoảng hàng trăm tỷ atmotphe.
Vùng kế tiếp là vùng trung gian còn gọi là vùng “đổi ngược” qua đó năng
lượng truyền từ trong ra ngồi, vật chất ở vùng này gồm có sắt (Fe), canxi (Ca),
natri (Na), stronti (Sr), crôm (Cr), niken (Ni), cacbon ( C), silic (Si) và các khí như
hiđrơ (H2), hêli (He), chiều dày vùng này khoảng 400.000 km. Tiếp theo là vùng
“đối lưu” dày 125.000 km và vùng “quang cầu” có nhiệt độ khoảng 6.000 0K, dày
1.000 km, ở vùng này gồm các bọt khí sơi sục, có chỗ tạo ra các vết đen, là các hố
xốy có nhiệt độ thấp khoảng 4.500 0K và các tai lửa có nhiệt độ từ 7.000 0K 10.000 0K.
Vùng ngoài cùng là vùng bất định và gọi là “khí quyển” của Mặt trời. Nhiệt độ
bề mặt của Mặt trời là 5.762 0K nghĩa là có giá trị đủ lớn để các nguyên tử tồn tại
trong trạng thái kích thích, đồng thời đủ nhỏ để ở đây thỉnh thoảng lại xuất hiện
những nguyên tử bình thường và các cấu trúc phân tử. Dựa trên cơ sở phân tích các
phổ bức xạ và hấp thụ của Mặt trời người ta xác định được rằng trên mặt trời có ít
nhất 2/3 số ngun tố tìm thấy trên Trái đất. Nguyên tố phổ biến nhất trên Mặt trời
là nguyên tố nhẹ nhất Hydrogen. Vật chất của Mặt trời bao gồm khoảng 73,46% là
Hydrogen và gần 24,85% là Hêlium, còn lại là các nguyên tố và các chất khác như
Oxygen 0,77%, Carbon 0,29%, Iron 0,16%, Neon 0,12%, Nitrogen 0,09%, Silicon
0,07%, Magnesium 0,05% và Sulphur 0,04%.
Nguồn năng lượng bức xạ chủ yếu của Mặt trời là do phản ứng nhiệt hạch tổng
hợp hạt nhân Hyđrô, phản ứng này đưa đến sự tạo thành Hêli. Hạt nhân của Hyđrơ
có một hạt mang điện dương là proton. Thông thường những hạt mang điện cùng
dấu đẩy nhau, nhưng ở nhiệt độ đủ cao chuyển động của chúng sẽ nhanh tới mức
chúng có thể tiến gần tới nhau ở một khoảng cách mà ở đó có thể kết hợp với nhau
dưới tác dụng của các lực hút. Khi đó cứ 4 hạt nhân Hyđrơ lại tạo ra một hạt nhân
Hêli, 2 Neutrino và một lượng bức xạ.
1
4
4H → He + 2 Neutrino +
1
2
(2.1)
Neutrino là hạt khơng mang điện, rất bền và có khả năng đâm xuyên rất lớn.
Sau phản ứng các Neutrino lập tức rời khỏi phạm vi mặt trời và không tham gia vào
các “biến cố” sau đó.
7
Trong q trình diễn biến của phản ứng có một lượng vật chất của Mặt trời bị
mất đi. Khối lượng của Mặt trời do đó mỗi giây giảm chừng 4.106 tấn, tuy nhiên
theo các nhà nghiên cứu, trạng thái của Mặt trời vẫn không thay đổi trong thời gian
hàng tỷ năm nữa. Mỗi ngày Mặt trời sản xuất một nguồn năng lượng qua phản ứng
nhiệt hạch lên đến 9.1024 kWh (tức là chưa đầy một phần triệu giây Mặt trời đã giải
phóng ra một lượng năng lượng tương đương với tổng số điện năng sản xuất trong
một năm trên Trái đất).
2.2. Quỹ đạo của trái đất quanh mặt trời [2]
Trái đất quay quanh mặt trời theo quỹ đạo hình elip, một vòng của trái đất
quay quanh mặt trời là 365,25 ngày. Điểm mà tại đó trái đất gần mặt trời nhất gọi là
điểm cận nhật, xảy ra vào ngày 2 tháng 1 lúc này nó cách mặt trời khoảng 147 triệu
km. Điểm mà tại đó trái đất xa mặt trời nhất xảy ra vào ngày 3 tháng 7, lúc đó nó
cách mặt trời khoảng 152 triệu km.
360n 93
d 1.5 *108 1 0.017 sin
km
365
(2.2)
Trong đó:
n: Ngày đầu tiên trong tháng, ví dụ như ngày 1 tháng 1 thì n=1, ngày 31 tháng
12 thì n= 365.
Bảng 2.1. Bảng ngày số n của ngày đầu tiên của mỗi tháng
Tháng
Một
Hai
Ba
Bốn
Năm
Sáu
Bảy
Tám
Chín
Mười
n
1
32
60
91
121
152
182
213
244
274
Mười
Mười
một
hai
305
335
2.3. Góc cao độ của mặt trời vào buổi trưa [2]
Chúng ta đều biết mặt trời mọc ở hướng đông và lặn ở hướng tây và đạt điểm
cao nhất của nó vào thời gian giữa trong ngày. Trong hình 2.2 trái đất quay quanh
mặt trời, khó có thể xác định góc của mặt trời so với mặt phẳng trái đất.
8
Hình 2.2. Quỹ đạo trái đất quay quanh mặt trời
Một quan điểm khác để thuận tiện cho việc xác định, trong hình 2.3 trái đất là
cố định quay quanh trục Bắc-Nam. Mặt trời nằm ở một số nơi trong không gian từ
từ di chuyển lên xuống như tiến độ mùa. Vào ngày 21 tháng 6 (hạ chí) mặt trời đạt
đến điểm cao nhất của nó và một tia kẻ từ trung tâm của trái đất đến trung tâm của
mặt trời tạo thành với mặt phẳng xích đạo một góc bằng 23,45 độ. Góc này thay đổi
khi trái đất di chuyển và được gọi là góc thiên độ, ký hiệu là δ. Nó nằm trong
khoảng từ -23,45 độ đến 23,45 độ. Và một cách tính xấp xỉ gần đúng cho rằng một
năm có 365 ngày và đặt xuân phân vào ngày n = 81, góc δ sẽ được tính:
360
n 81
365
23.45 sin
(2.3)
Hình 2.3. Quỹ đạo trái đất
Từ cơng thức (2.3) ta có thể tính được góc δ.
Bảng 2.2. Bảng thống kê góc δ của ngày 21 mỗi tháng
Tháng
Một
Hai
Ba
Bốn
Năm
Sáu
Bảy
Tám
Chín
Mười
δ (độ)
-20.1
-11.2
0
11.6
20.1
23.4
20.4
11.8
0
-11.8
Mười
Mười
một
hai
-20.4
-23.4
