Nghiên cứu phát triển hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới

NGHIÉN CÙtJ PHÀT TRIÉN HE THĨNG NÀNG LlTgfNG MÀT TRỊI NÓI L i r d l Research and development a grid-connected solar power system PGS.TSBịng VànHu&ng', NCS.NhùKhàiHồri' 'Dgi hgc GTVT TP.Hó Chi Minh Dgi hgc Nha Trang Tóm tàt: Su suy giàm cùa nguón nàng lugng truyén thóng da thùc day nhàn logi lìm dèn nhimg ngn nàng lugng mài Mot nhùng nguón nàng lugng mài dugc quan làm nhàt hién nay, dị ngn nàng lugng mal trai (NLMT) Trong bào chùng lịi giài thiéu tóng quan vè he thóng NLMT, bao gom càc vàn de: hién trgng su dung NLMT va nuàc, cmi trùc va mól sị dgc diém ky tht he thong, xu huòng chinh nghièn cùu phàt trién he thòng NLMT Dong thài chùng lòi de xuàt phuang huàng su dung ky thugt Fuzzy-Neural de phàt trièn mgt he thóng NLMT nói luài nhàm nàng cao chat lugng he thóng Abstract: The decline in the tradìlional energy sources has promoled humankind lo look for new energy sources One oflhese new energy sources which are masi interested, this is solar energy In this paper we presenl an overview of the solar power system, issues including: the eurrent use of solar energy in Vietnam and in the world, some structures and technical characteristics of the system, the main trends ofresearch and development in solar energy syslems At the same lime, we also propose to Fuzzy-Neural theories for developing a grid-eonneeted solar power system in arder lo improve the quality ofthe system Keywords: solar energy, MPPT control, anti-islandìng,Fuzzy-Neural Giói thiéu Nàng lugng mat tròi (NLMT) dugc biét dén nhu mgt nguòn nàng lugng xanh va vò tan Trong thè ky 21, NLMT ngày tró nén mpt nhùng ngn quan trpng nhàt cùa ngi [1-4] So vói càc nguón nàng lugng khàc nhu thùy dién, phong dién, nhiét dién, di?n hat nhàn NLMT co dàc diém: khóng ị nhiém vè mói trng, dị an tồn cao, ngn nàng lugng vị tàn, thè phàn bó mgi noi mgi dai còng suat (tu vài chuc W dén hàng tram MW) Trai qua nhièu nàm nghién cùu, he thóng NLMT ngày hồn thién Co thè thày mot sị xu hng chinh phàt trién bé NLMT nhu: nàng cao hiéu suàt quang-dién, xày dyng he thóng cịng st lón, thiét làp bé thịng mgng dién song song an tồn Trong tucmg lai ngn NLMT sé u ó thành ngn nàng lugng chinh bị sung cho nhimg nguòn nàng lugng dang dàn cgn kiét nhu: than, dàu khi, nuóc Hi?n trang nghièn cuu va phàt trién he thong NLMT va ngồi nc 2.1 Bàn NLMT trén tồn the giói 28 Trong vịng 10 nam (1996-2006) san lugng dién NLMT phàt trién rat nhanh, toc dị tàng trng trung bình hàng nàm dgt 33% Nàm 2004 san lugng dièn NLMT dat tói 1200 MW Trong dò Nhàt Bàn chiém 610 MW (50.8%); Àu Chàu chiém 320 MW (26.7%); My 135 MW (11.25%); Càc quóc già khàc 135 MW (11.25%) Tu nbùn^ nam 2000 trò lai chùng kién sy bùng nò ve còng nghé - ky thuàt nhu sy phàt trién manh me cùa he thóng NLMT Tu 187 MW nàm 2000 dén 12.95 GW nàm 2008 va nàm 2010 tóng dién nàng NLMT trèn tồn càu dat tói 30 GW [2] Tgi Chàu Àu nàm 2010, tóng lugng dién nàng NLMT cùa khói EU dà dat tói GW, dy tinh dén nàm 2020 so se dén 54 GW Tgi Chàu À, Nhàt Bàn qc già co h? thóng NLMT lón nhàt Trong chinh sàch va ké hoach phàt trién nàng lugng cùa Nhàt Bàn, dy tinh tói nàm 2030 tóng san lugng dién NLMT sé dgt tói 1000 GW DĨi vói Trung Qc, dy kién dén nàm 2020 tòng san lugng dién NLMT cùa Trung Quóc sé dgt tói 1.8 GW [1,2] Truóc nàm 1999, My quòc già co san lugng dién NLMT lón nhàt thè giói (hién vi tri dang thugc vè Due va Nhàt Bàn) Toc dò phàt trién NLMT cùa My bình qn hàng nàm vào khồng 30% Dong thòi My du tinh dén nàm 2020 dung lugng di?n NLMT se dat tói 36 GW Va dèn nàm 2030 sò sé 200 GW [1,2] 2.2 Hi§n trang NLMT tai Vi^t Nam Mac dù quóc già co tiém nàng lón ve quang nang, nhién dĨÌ vói Viét Nam vàn de nghién cùu va su dung NLMT tuong dói mói Nàng lugng dién quòc già chù yéu thùy dién va nbièt dién mot phàn nàng lugng giò NLMT hàu nhu chua co bàn dị nàng lugng dién li qc già Càc he thòng NLMT tai Viét Nam chù yéu càc dang còng suàt nhò, hoat dòng dgc làp cung càp dién cho càc hg cà nhàn, càc tram vièn thòng, truyén tin trén bién, mot sò dèn chiéu sàng cịng cịng [4] Dịi vói bé thóng NLMT nói li, cịng nghé - ky tht khà mói me [4], hién mói chi co mot vài bp thịng thi diém nhu: he thóng 150 kW tgi Trung tàm hói nghi qc già, he thóng 12 kW tai tịa nhà Bg cịng thng Trc thyc trang dị, nhàm day mgnh phàt trién he thòng nàng lugng xanh, ngày 21/07/2011 Thù tuóng Chinh phù dà thóng qua va Quyét dinh sò 1208/QD-TTg phé duy$t "Quy hoach phàt trién dièn lue quòc già giai doan 2011-2020, co xét dén nàm 2030" dị NLMT chinh thùc vi tri bàn dị nàng lugng dién qc già Dy kién dén nàm 2020 san lugng dién NLMT chiém 4.5% lugng dién quóc già va so se 6.0% nàm 2030 [4] ÉlSI E^[!pp DC/AC converter I t)C/AC I Ipb^^^ 0= J D C / A C I ' Ph^^ -j converter DC/AC I ' p i » " ' &=^S Hình He thóng NLMT nói li mot càp DC/DC H converter phase ^A r^T-j-DCTDCl-.^ I I—I converter | '' DC/AC I verter Hình He thóng NLMT nói luói hai càp Trong càu trùc he thóng phàn tu bién dịi cịng st DC/DC co thè su dyng rat nhièu so dò khàc nhu: BUCK, BOOST, BUCKBOOST, CUK, SEPIC Dièu Idiièn bó DC/DC sé thyc hién theo myc tiéu tịi da hóa cịng st dién cùa ma trgn pìn PV Khàu bién tàn DC/AC thuòng su dyng bièn tàn mot pha hoac ba pha tgo song sin theo nguyén ly dièu che vector khóng gian (SVPWM) [6], Sàch lugc dieu khién Trong càc nghièn cùu phàt trièn he thòng NLMT dà chi he thóng NLMT dgc làp co dàc diém: tịn hao pbóng-nap dién lón, diéu tiét cịng st co han, già thành cao Hién ó Viét Nam chù yéu su dyng he thịng NLMT dgc làp vói vài chuc kW cho càc tmng tàm, ca quan va vài tram W dén vài kW cho càc bị già dình De phàt trièn mgng càu trùc h^ thịng li NLMT ị mùc dò dién thuang mgi phài Tiép theo chùng tòi giói thiéu tóng quan su dung he thịng nói li Day he thóng nhùng vàn de ky thuàt lién quan dén he thòng ma chùng tòi quan tàm de càp bào NLMT Truóc hét phàn càu trùc h? thịng Dịi vói he thịng NLMT nói li chùng Càu trùc he thịng NLMT co khà nhièu dang, ta phài dói mat vói càc vàn de lón sau: dièu nhién trèn thuc té bién duói hai dgng: khién cóng suàt cyc dai MPPT (Maximum mpt càp va hai càp nhu trèn Hình va Hình Power Point Tracking), càc giài phàp anti2 DĨi he thóng mpt càp, dàu vào bò bién tàn islanding va an tồn he thóng, dièu phói cóng DC/AC sé nói tryc tiép vói ma tran PV st hùu cóng va cịng st vị cóng va giàm Trong dị, he thóng hai càp se eó thém bg thiéu song [6] bién dói DC/DC 4.1 Dieu khien cong suàt c^c dai 29 Bò dièu khién MPPT co chùc nàng phài thyc hién dièu khién trgng thài cùa pin PV cho còng suàt phàt cùa pin PV dat già tri cyc dai Càc phuong phàp phò bién de dièu khién MPPT bao gịm: ón dinh dién àp dàu PV, quan sàt bién dòng còng suàt va ky thuàt cung càp dị dàn già tàng Vói phuang phàp ịn dinh dién àp dàu chi co thè dat dugc diém cịng st cyc dgi (MPP-Maximum power point) ó mùc dị tuong dói, sai sị lón diéu kién mói trng bién dgng Tuy vày phuong phàp co uu diém giài thuàt don giàn va de thyc hién Phuang phàp quan sàt bién dịng cóng st dya trén dao hàm cóng suàt va già tri dièn àp bién dóng tgi dàu pin PV de quyét dinh phuong huóng diéu chinh di$n àp he thóng cho dgt diém làm viéc MPP Uu diém cùa phuang phàp giài thugt don giàn, Hình Sade mgch dièn thay thè cùa pìn PVdị chinh xàc cao Nhugc diém diém làm Mó hình hóa dgc tinh dién cùa pin PV viéc cùa pin PV se dao dòng quanh diém nhu trén Hình /^ dịng dién quang sinh, cịng st cyc dai, khịng phù hgp ó nhùng Id dòng di?n bào bòa diode, C, dién dung nai thòi tièt bién dóng mgnh song song, Rp va Rs di?n tró song song va Phucmg phàp già tang dị dàn de tìm di?n tró nói tiép, U\àl dién àp dòng dièn dàu cùa pin PV Quan bé dòng-àp cùa pin diém MPP dya trén dao hàm dP/dU =0, Dò chinh xàc cùa phuang phàp rat cao, dóng PV dugc mịta theo (1) thịi dac tinh bàm diém MPP rat tòt Tuy nhién nhugc diém cùa phuong phàp (1) bé thóng co thè rai vào diém làm viéc tòi im cuc bò Trong dò: A hàng sò ly tuòng cùa Mot sò dièm chinh càc nghièn cùu diode, thòng thuòng co ^ià tri tu 1-2; A: = 1.38x10-23 J/K hàng so Boltzman; q - va phàt trièn càc he thòng NLMT bién • Cài tién nàng cao hiéu suàt quang-dién 1.6x10-9 C • Su dung càc ky tht diéu khién thịn^ Còng suàt dàu P = fiU) - t/x/ Dgc minh (Fuzzy, Neural, Adaptive ) de tinh P-U dàu eùa pin PV thè hién trén nàng cao hiéu qua diéu khién bé thịng Hình Dng dàc tinh P-U sé bién dgng dat còng suàt cyc dgi nhi?t dp va cuòng dò sàng trén pin PV thay dòi Dàn tói diém cịng st P„ox sé dich • Nghién cùu giài phàp anti-islanding chuyén khóng biét truóc nàng cao dị dàp ùng nhanh nhu dị an tồn cùa he thóng NLMT qua ^ = trình hoat dóng P^consl 4.2 Giài phàp anti-islanding dP TCNgồi vàn de dièu khién MPPT ra, de bé thòng boat dòng an toàn càn phài phàn tich C bièn tugng sy co luói (hién tugng islanding) m 00 U/kV va dua giài phàp khàc phuc Hién tugng islanding bé thóng dién NLMT ghép Hình Dgc tinh P-U cùa pin PV nói song song vói luói dién quóc già hién Dàc tinh còng suàt dàu cùa càc tàm pin PV là: phi tun, khịng xàc dinh, khóng lién tue va phu thc vào cng dị sàng, nhiét dị mói trng Day nhùng u tị ma ngi khòng thè can thièp Do dò giài phàp MPPT mot Uong nhùng hng nghién éu chinh he thịng NLMT Myc dich cùa MPPT dièu khien thiét bi cho diéu kién bién dòi cùa ành sàng, nhiét dò mòi truòng, còng suàt cùa ma tran pin PV dat cyc dgi Dịng thịi he thóng NLMT phài tbịa man tình tàc dpng nhanh, dị chinh xàc éng nhu dac tinh ịn dinh ben viìng -'-M-P^-'l w tugng h? thóng dang làm viéc bình thng thi xt hién sy co tu li dién qc già Vi du nhu: qua trình dóng/ngàt li dién qc già, sy sò di tàn di pha, pha, xung di$n àp, xung dịng dién xt hién khóng biét trc Lue dị bé thóng NLMT sé dgc làp cung càp dién cho phu tài, duong lue còng suàt h? thóng dièn NLMT va phy tài dgt già tri càn bang, dịng dién cùa tài hồn tồn NLMT cung cap Lue hng cịng st tu li di^n qc già dua vào tài rat bé, dièn àp va tàn sị ó dàu cùa bién tàn SVPWM sé khịng thè nhanh chịng thay dịi Trong tình trang dị h^ thịng khịng thè phàn dồn chinh xàc li dién qc già co hay khóng co tình hng sy co bogc su kién dóng/ngàt dién giàn doan Hgu qua nghièm trgng cùa hién tugng islanding: • Duong lue mang di^n dóng ngàt dgt nggt, qua trình qua dị cùa li dién se gay màt an tồn cho ngi va thiét bi Khi mang dién quoc già gap su co, dóng ngat dpt nggt, lue he thóng dièu khién sé màt tồn bó tin hiéu tham chiéu (dién àp, tan sị, thù ty pha), ềc già tri sé trị "trịi nói" xt bièn tinh hng khóng ón dinh bé thóng Dóng thịi bé thịng co thè xuàt hién càc thành phàn song (dièn àp, dòng dién) bàc cao co bién dp va nàng lugng khòng nhò Néu khòng kip thòi càch ly va xù ly hipn tugng thi sé gay tón hai lón dén phu tài • Dói vói trng hgp li dipn qc già dot nggt dóng di?n tró Igi, dièn vi tri pha dièn àp va vi tri pha dién àp cùa li dièn qc già va li NLMT hồn tồn khàc dàn dén phàt sinh dòng di?n ximg kich gay tón hai càc thiét bi dién • Lue xày hién tugng islanding co thè din dén thàp àp (khi luói dién quóc già màt dién dot nggt), tang àp (khi luói dién quóc già dot nggt dóng tró Igi) va mèo dgng dièn àp ành huóng dén càc phy tài Chinh vi vày bàt cu mot h§ thịng hịa li song song vói mgng dién qc già dèu phài tinh tói giài phàp anti-islanding, dàm bào giàm thiéu ành huóng cùa sy co islanding luói dién 4.3 Bù cịng st phàn khang He thóng NLMT va tài cyc bị duan^ nhién tièu tàn cóng suat vò còng De nàng cao he sò còng suàt, thòng thuòng ta nghT dén vièc su dung ty bù Su dung ty bù dugc gpi giài phàp bù còng suàt phàn khàng dang Nhùng nhugc diém de dàng nhàn thày giài phàp bù nhu: tàng già thành he thóng vói giàn ty bù, de gay hién tugng qua àp, thàp àp tài thay dòi Ngay cà viéc su dung càc còng tac ta, mày cat de phàn bĨ cịng st phàn khàng bù vào luói dién khóng giài quyét triét de vàn de Dịi vói he thóng NLMT su dung bién tàn SVPWM, ngi ta co thè bù cóng st phàn khàng mot càch déo theo nguyén tac "tài càn bao nhiéu thi bù bay nhiéu" Co che bù dugc diéu tièt thóng qua dièu che hai thành phàn dòng dién ig, v trén he tryc tga dò quay d-g bièn tàn SVPWM Uu diém cùa giài phàp già thành ré, di dàng diéu chinh lugng còng suàt phàn khàng bang giài thuàt dièu che bién tàn SVPWM 4.4 Giàm song hai, nàng cao chat lirgng di^n àp De giàm song hai bàc cao, bièn nguòi ta chù yéu su dyng bién tàn SVPWM co tàn sị diéu bièn lón (10-30 kHz) cho khàu bién dói DC/AC Bién tàn SVPWM thng hai dgn^: dgng mùc va dang da mùc Trén thyc té su dung phó bién logi SVPWM mùc càu trùc don giàn, diéu khién khóng qua phùc tgp, hiéu suàt tao song sin tòt Trong càc truòng hgp dàc biét co thè su dyng bién tàn SVPWM da mùc Uu diém cùa bién tàn da mùc khà nàng tri?t song rat cao, vgy bién tàn SVPWM da mùc lai co nhugc dièm già thành cao, hiéu suàt thàp, diéu khién phùc tgp Ngoài viéc su dung bièn tàn SVPWM, càn phài thiét ké bó Igc cịng st ghép vói dàu cùa bién tàn Do dị mị hình tồn hgc he thịng sé tang bàc va thém phàn phùc tap Huóng nghién cùu phàt trién Nhu càc phàn trèn dà de càp, dàc tinh quang-dién cùa càc té bào quang dién co dgc dièm khóng ón dinh, phi tuyén, phu thugc vào nhiét dg va cuòng dò sàng Thém vào dò ta su dyng càc bg DC/DC còng suàt de thyc hién dièu khién MPPT thi xuàt hién thém càc vàn de nan giài, dị mó hình tồn hpc éa càc bị DC/DC thuòng phi tuyén va bàt dinh (tham so mò hình he thóng thay dói theo tài) Dan dèn hiéu qua dièu khién cùa càc giài thuàt MPPT truyén thóng suy giàm De tao mot he thóng NLMT hogt dịng tịi uu va an tồn, xu hng chung càc nghién cùu gàn day su dyng càc ky thugt Fuzzy-Neural de tìm dièm cịng st cuc dgi [5] Trong nghién cùu cùa chùng tòi dy kién su dyng mgt mang thàn kinh thich nghi (ANFIS) két hgp giài thuàt T-S Fuzzy de uóc lugng diém MPPT nhu Hmh Mang li Neural su dung tht tồn Generation, phuang phàp bn luy?n bón hgp Sau dị co che mgng Neural se dugc nhùng vào he thòng T-S Fuzzy thyc hi?n dị tìm dièm cịng suat cyc dgi cùa h? thịng NLMT Trong tuong lai sé nhiéu nghièn cùu hng tói viéc su dyng ngn NLMT tai Viét Nam, nhàm dàp ùng nhu càu su dyng nguòn nàng lugng sgch cùa nc nhà Trong bào chùng tịi dà giói thiéu tóng quan ve bé NLMT bao góm tiém nàng va thàch thùc, càc yéu tó k j thuat, vói cà nhùng phuong huóng nghién cùu phàt trién mot bé NLMT dya trén ky thuàt diéu khién Fuzzy-Neural Nhùng vàn de cu thè sé dugc chiing tòi nghién cùu phàt trién va giói thiéu càc bào tiép theo Tài liéu tham khào Govinda R Timilsina, Lado Kurdgelashvili and Partick A Narbel,"A review of Solar energy: Markets, Eeonomics and Policies," Policy Research Working Papers, 201Ì [2] Al Xin, HAN Xiaonan and SUN Yingyun, Power electronic devices "The Development Status and Prospect of Grid-connected Photovoltaic Generation PV celi DC/DC DC/AC converter verter matrix convellerr TP' and Its Related Technologies," Modem Electric Power, Voi 30, No 1, 2013 [^"pwW" [3] histitute of Electrical and Electronics MPPT controller Engineers, " IEEE Recommended Practice "^^^1 ANFIS + T-S Fuzzy for Utility Interface of Photovoltaic (PV) Hình Bó diéu khién MPPT Systems," United States of America, pp 126, 2000 Tiép theo vàn de anti-islanding sé dugc phàn tich va giài qut de han che ành hng [4] Dang Dình Thóng, "Cịng nghé pin mat tiéu cyc cùa hién tugng islanding Ngồi bù trịi - Bài hgc kinh nghièm tu Viét Nam", còng suàt phàn khàng, thiét kè Igc cóng suàt Hói chr; trién làm IMAG 2, 2012 sé &\joc thuc hién theo ky thugt diéu che [5] Keya Huang, Wenshi Li and Xiaoyang SVPWM trén bé truc tpa dg quay d-q Huang "MPPT of Solar Energy Generatmg System with Fuzzy Control and Artificial Cuoi cìing, tàt cà càc giài thugt va giài Neural Network", Information Technology, phàp ky thuàt cho he thóng NLMT nói luói Computer Engineering and Management ma chùng tòi nghièn cùu de xuàt sé dugc mò Sciences (ICM), Nanjing-Jiangshu-China, phòng trén MATLAB va kiém nghièm trén pp - 3 , Sept 2011 mị hinh h? thóng thyc [6] Quàch Due Cuòng, Ngò Kim Anh, "Su Ket luàn dung DSC dsPIC30F4011 thiét ké bièn tàn Nàng lugng mgt tròi sé trò thành xu ba pha theo nguyén ly dièu che vector hng chinh hành trình di tìm nguòn khòng gian SVPWM," Tgp chi khoa hoc nàng lugng mói cùa nhàn loai Càc nuóc phàt cóng nghé Giao thóng Vgn tài, sị 10-02, trién dà va dang khịng ngùng nghién cùu pp 30-34,2014 phàt trien càc "cành dòng NLMT" de dàm bào an ninh nàng lugng va giàm thiéu ó nhiém mói trng Tgi Viét Nam, day mot Ngày nh^n bài: 29/04/2014 Iình vyc khà mói, song càc nhà quy Ngày chàp nhàn dàng: 13/0S/2014 hogch nang lugng dién quóc già dà som Phàn Bi^n: TS Dang Xuàn Kién nhgn thày tièm nàng, trién vgng cùa NLMT 32 [1]