Đang tải... (xem toàn văn)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http //www lrc tnu edu vn i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN QUẾ HƢNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÁT ĐIỆN SỬ DỤNG NĂNG LƢỢNG MẶT T[.]
i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN QUẾ HƢNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÁT ĐIỆN SỬ DỤNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA KHOA CHUN MƠN NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TRƢỞNG KHOA TS Đặng Danh Hoằng PHÒNG ĐÀO TẠO Thái Nguyên – 2016 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn ii LỜI CAM ĐOAN Tên là: Nguyễn Quế Hƣng Sinh ngày:17 tháng 09 năm 1976 Học viên lớp cao học khoá 16 - Tự động hố - Trường Đại học Kỹ Thuật Cơng Nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên Hiện công tác tại: Trường Trung Cấp Nghề Nam Thái Nguyên Tơi cam đoan tồn nội dung luận văn làm theo định hướng giáo viên hướng dẫn, khơng chép người khác Các phần trích lục tài liệu tham khảo luận văn Nếu có sai tơi hồn tồn chịu trách nhiệm Tác giả luận văn Nguyễn Quế Hƣng Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn iii LỜI CẢM ƠN Lời tác giả xin chân thành cảm ơn tới thầy giáo, cô giáo Khoa sau đại học, Khoa Điện trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp thầy giáo, cô giáo, anh chị Trung tâm thí nghiệm giúp đỡ đóng góp nhiều ý kiến quan trọng cho tác giả để tác giả hồn thành luận văn Trong trình thực đề tài tơi nhận giúp đỡ nhiệt tình thầy, cô giáo khoa Điện trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp thuộc ĐH Thái Nguyên bạn đồng nghiệp Đặc biệt hướng dẫn góp ý thầy TS Đặng Danh Hoằng giúp cho đề tài hồn thành mang tính khoa học cao Tôi xin chân thành cảm ơn giúp đỡ quý báu thầy, cô Do thời gian, kiến thức, kinh nghiệm tài liệu tham khảo hạn chế nên đề tài khó tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận đóng góp ý kiến thầy, cô giáo bạn đồng nghiệp để tơi tiếp tục nghiên cứu, hồn thiện q trình cơng tác sau Học viên NguyễnQuế Hƣng Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn iv MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỬ DỤNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI 1.1 NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO 1.1.1 Khái niệm lượng tái tạo 1.1.2 Phân loại lượng tái tạo 1.1.3 Vấn đề khai thác lượng tái tạo Việt Nam 1.1.4 Xu phát triển điện gió điện mặt trời Việt Nam 1.2 Năng lượng mặt trời [1, 7, 8] .8 1.3 Mơ hình sử dụng lượng mặt trời hệ thống cung cấp điện 10 1.4 Định hướng nghiên cứu 11 1.5 Kết luận chương 11 CHƢƠNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƢỚI 12 2.1 Mô tả hệ thống điện mặt trời nối lưới 12 2.1.1 Sơ đồ khối hệ thống 12 2.1.2 Điều khiển hệ thống phát điện sử dụng lượng mặt trời nối lưới 14 2.2 Pin mặt trời (PV-Photovoltaic) [8, 9, 10] 14 2.2.1 Khái niệm 14 2.2.2 Mơ hình tốn đặc tính làm việc pin mặt trời 15 2.3 Bộ biến đổi chiều – chiều (DC - DC) [9] 18 2.3.1 Chức .18 2.3.2 Các loại biến đổi DC/DC 19 2.3.2.1 Bộ biến đổi DC-DC không cách ly 19 2.3.2.2 Bộ biến đổi DC-DC có cách ly 26 2.3.3 Điều khiển biến đổi DC-DC .26 2.3.3.1 Mạch vòng điều khiển điện áp .26 2.3.3.2 Mạch vòng điều khiển dòng điện 27 2.4.1 Tính chọn thơng số chuyển đổi DC-DC 27 2.4.2 Bộ chuyển đổi DC-AC 34 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn v Chƣơng THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỬ DỤNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI .37 3.1 Tổng hợp điều khiển PID 37 3.1.1 Thiết kế điều khiển sở hàm độ h(t) 38 3.1.2 Thiết kế điều khiển miền tần số 40 3.3 Thiết kế điều khiển PID cho nghịch lưu phía lưới 43 3.3.1 Đặt vấn đề .43 3.3.2 Thiết kế điều khiển [5] .45 3.3.3 Kết mô 48 3.3.4 Nhận xét 50 3.4 Kết luận chương 50 Chƣơng THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỬ DỤNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI 51 4.1 Đặt vấn đề 51 4.2 Tổng quan hệ logic mờ điều khiển mờ [2, 3] 52 4.2.1 Hệ Logic mờ 52 4.2.2 Bộ điều khiển mờ 60 4.3 Thiết kế điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID [3] 62 4.3.1 Phương pháp thiết kế .62 4.2.2 Nhận xét 66 4.3 Khảo sát mô Matlab/Simulink [6] 66 4.3.1 Sơ đồ mô 66 4.3.2 Kết mô điều khiển mờ chỉnh định tham số PID 67 4.3.3 Nhận xét 69 4.4 Kết luận chương 69 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 70 Kết luận: 70 Kiến nghị: 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 PHỤ LỤC 72 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Các ký hiệu: STT Ký hiệu Diễn giải nội dung đầy đủ PV Pin mặt trời PID Bộ điều khiển DC Một chiều DC Hai chiều Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn vii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Mơ hình điện mặt trời cho hộ gia đình 11 Hình 2.1: Hệ thống phát điện sử dụng lượng mặt trời nối lưới 12 Hình 2.2: Sơ đồ khối hệ thống phát điện sử dụng lượng mặt trời 13 Hình 2.3: Mạch tương đương modul PV 16 Hình 2.5 a,b,c,d: Họ đặc tính PV 18 Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý giảm áp Buck 20 Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý mạch Boost 21 Hình 2.8: Sơ đồ nguyên lý mạch Buck - Boost 22 Hình 2.9: Sơ đồ nguyên lý biến đổi Cuk .23 Hình 2.10: Sơ đồ mạch Curk khoá SW mở thơng dịng .24 Hình 2.12: Bộ chuyển đổi DC-DC có cách ly 26 Hình 2.13: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển điện áp 27 Hình 2.14: Sơ đồ cấu trúc mạch vịng điều khiển dịng điện 27 Hình 3.1: Sơ đồ khối điều khiển tuyến tính (PID) .37 Hình 3.2: Sơ đồ cấu trúc điều khiển PID .37 Hình 3.3: Đồ thị độ .38 Hình 3.4: Sơ đồ hệ thống điều khiển 40 Hình 3.5: Sơ đồ điều khiển dòng điện biến tần pha nối lưới 45 Hình 3.5: Sơ đồ mơ tồn hệ thống 46 Hình 3.6: Sơ đồ cấu trúc khối điều khiển hệ thống phát điện sử dụng lượng mặt trời 46 Hình 3.7: Sơ đồ khối lọc điều khiển dịng 47 Hình 3.8: Cấu trúc khối điều khiển dòng 47 Hình 3.9: Đáp ứng điện áp đầu 1pha hệ thống phát điện sử dụng pin mặt trời 48 Hình 3.10: Đáp ứng điện áp đầu pha hệ thống phát điện sử dụng pin mặt trời 48 Hình 3.11: Đáp ứng điện áp đầu pha nối lưới 0,04s 49 Hình 3.12: Đáp ứng điện áp đầu pha nối lưới 0,04s 49 Hình 4.1: Hàm thuộc biến ngơn ngữ 53 Hình 4.2: Sơ đồ khối điều khiển mờ 53 Hình 4.3: Luật hợp thành 54 Hình 4.4: Mờ hố 55 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn viii Hình 4.5: Thực phép suy diễn mờ .56 Hình 4.6: Thực phép hợp mờ 57 Hình 4.7: Những nguyên lý giải mờ 58 Hình 4.8: Cấu trúc hệ logic mờ 59 Hình 4.9: Sơ đồ cấu trúc điều khiển mờ PD 60 Hình 4.10: Sơ đồ khối hệ thống với điều chỉnh mờ PI(1) 60 Hình 4.11: Sơ đồ khối hệ thống với điều khiển mờ PI(2) 61 Hình 4.13: Phương pháp điều khiển thích nghi gián tiếp 61 Hình 4.14: Phương pháp điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID .62 Hình 4.15: Phương pháp chỉnh định mờ tham số điều khiển PID .63 Hình 4.16: Bên điều chỉnh mờ 63 Hình 4.17: Tập mờ e e’ 64 Hình 4.18: Tập mờ 64 Hình 4.19: Tập mờ Kp KD 64 Hình 4.20: Sơ đồ mô với điều khiển mờ chỉnh định PID .66 Hình 4.21: Sơ đồ mô với cấu trúc điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID 67 Hình 4.22: Đáp ứng đầu pha hệ thống phát điện sử dụng lượng mặt trời .67 Hình 4.23: Đáp ứng đầu pha hệ thống phát điện sử dụng lượng mặt trời .68 Hình 24: Đáp ứng đầu pha hệ thống nối lưới 0,04s .68 Hình 25: Đáp ứng đầu pha hệ thống nối lưới 0,04s .69 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn MỞ ĐẦU Mục tiêu luận văn Nguồn lượng mặt trời giải pháp hữu hiệu việc khai thác nguồn lượng phục vụ đời sống sản xuất mà không gây tác hại đến môi trường Việc nghiên cứu thiết kế điều khiển hệ thống phát điện sử dụng nguồn lượng mặt trời nhằm nâng cao hiệu sử dụng triển khai ứng dụng vào thực tế điều cần thiết có ý nghĩa thực tiễn cao Hơn nay, giảng dạy Trường Trung cấp nghề Nam Thái Nguyên mong muốn xây dựng số mơ hình điều khiển đại có hệ thống phát điện sử dụng lượng mặt trời nhằm nâng cao lực giảng dạy nghiên cứu khoa học cho giáo viên Việc nghiên cứu hệ thống điều khiển phát điện lượng mặt trời qua luận văn giúp có có sở để xây dựng mơ hình hệ thống thí nghiệm điều khiển phát điện sử dụng lượng mặt trời Trường Trung cấp nghề Nam Thái Nguyên Vì tơi chọn đề tài: "Thiết kế hệ thống điều khiển phát điện sử dụng lượng mặt trời " Mục tiêu nghiên cứu - Tìm hiểu cấu trúc điều khiển hệ thống phát điện sử dụng nguồn lượng mặt trời - Khảo sát chất lượng điều khiển hệ thống điều khiển PID thông qua mô - Đề xuất thiết kế điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID nhằm nâng cao chất lượng điều khiển so với điều khiển PID mô Nội dung luận văn Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn bao gồm chương sau: Chương 1: Tổng quan hệ thống phát điện sử dụng lượng mặt trời Chương 2: Cấu trúc điều khiển hệ thống điện mặt trời nối lưới Chương 3: Thiết kế điều khiển PID điều khiển hệ thống phát điện sử dụng lượng mặt trời Chương 4: Thiết kế điều khiển mờ chỉnh định tham số điều khiển PID cho hệ thống phát điện sử dụng lượng mặt trời Kết luận kiến nghị Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn CHƢƠNG TỔNG QUAN HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỬ DỤNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI 1.1 NĂNG LƢỢNG TÁI TẠO 1.1.1 Khái niệm lƣợng tái tạo Năng lượng tái tạo hiểu nguồn lượng hay phương pháp khai thác lượng mà đo chuẩn mực người vơ hạn, theo hai nghĩa: Hoặc lượng tồn nhiều đến mức mà trở thành cạn kiệt sử dụng người (năng lượng Mặt Trời) lượng tự tái tạo thời gian ngắn liên tục (năng lượng sinh khối) quy trình cịn diễn tiến thời gian dài Trái Đất Theo ý nghĩa vật lý, lượng không tái tạo mà trước tiên Mặt Trời mang lại biến đổi thành dạng lượng hay vật mang lượng khác Tùy theo trường hợp mà lượng sử dụng tức khắc hay tạm thời dự trữ Việc sử dụng khái niệm "tái tạo" theo cách nói thơng thường dùng để đến chu kỳ tái tạo mà người ngắn nhiều (thí dụ khí sinh học so với lượng hóa thạch) Trong cảm giác thời gian người Mặt Trời nguồn cung cấp lượng thời gian gần vô tận Mặt Trời nguồn cung cấp lượng liên tục cho nhiều quy trình diễn tiến bầu sinh Trái Đất Những quy trình cung cấp lượng cho người mang lại gọi nguyên liệu tái tăng trưởng Luồng gió thổi, dịng nước chảy nhiệt lượng Mặt Trời người sử dụng khứ Quan trọng thời đại công nghiệp sức nước nhìn theo phương diện sử dụng kỹ thuật theo phương diện phí tổn sinh thái Ngược lại với việc sử dụng quy trình việc khai thác nguồn lượng than đá hay dầu mỏ, nguồn lượng mà ngày tiêu dùng nhanh tạo nhiều Theo ý nghĩa định nghĩa tồn "vơ tận" phản ứng tổng hợp hạt nhân (phản ứng nhiệt hạch), thực bình diện kỹ thuật, phản ứng phân rã hạt nhân (phản ứng phân hạch) với lò phản ứng tái sinh (breeder reactor), lượng hao tốn lúc khai thác Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn uranium hay thorium giữ mức thấp, nguồn lượng tái tạo thường chúng khơng tính vào loại lượng 1.1.2 Phân loại lƣợng tái tạo Năng lượng tái tạo bao gồm: Năng lượng gió, lượng mặt trời, lượng thủy triều (sóng), thủy điện, địa nhiệt, sinh khối, nhiên liệu sinh học Theo nguồn gốc xuất xứ ta phân lượng tái tạo thành loại sau 1.1.2.1 Nguồn gốc từ xạ mặt trời [1, 7, 12] Năng lượng Mặt Trời thu Trái Đất lượng dòng xạ điện từ xuất phát từ Mặt Trời đến Trái Đất Chúng ta tiếp tục nhận dòng lượng phản ứng hạt nhân Mặt Trời hết nhiên liệu, vào khoảng tỷ năm Có thể trực tiếp thu lấy lượng thông qua hiệu ứng quang điện, chuyển lượng photon Mặt Trời thành điện năng, pin Mặt Trời Năng lượng photon hấp thụ để làm nóng vật thể, tức chuyển thành nhiệt năng, sử dụng cho bình đun nước Mặt Trời, làm sôi nước máynhiệt điện tháp Mặt Trời, vận động hệ thống nhiệt máy điều hòa Mặt Trời Năng lượng photon hấp thụ chuyển hóa thành lượng liên kết hóa học phản ứng quang hóa Một phản ứng quang hóa tự nhiên trình quang hợp Quá trình cho dự trữ lượng Mặt Trời vào nguồn nhiên liệu hóa thạch khơng tái sinh mà công nghiệp kỷ 19 đến 21 tận dụng Nó trình cung cấp lượng cho hoạt động sinh học tự nhiên, cho sức kéo gia súc củi đốt, nguồn lượng sinh học tái tạo truyền thống Trong tương lai, q trình giúp tạo nguồn lượng tái tạo nhiên liệu sinh học, nhiên liệu lỏng (diesel sinh học, nhiên liệu từ dầu thực vật), khí (khí đốt sinh học) hay rắn Năng lượng Mặt Trời hấp thụ thủy Trái Đất khí Trái Đất để sinh tượng khí tượng học chứa dạng dự trữ lượng khai thác Trái Đất, mơ hình lượng này, gần giống bình đun nước động nhiệt đầu tiên, chuyển hóa nhiệt hấp thụ từ Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn photon Mặt Trời, thành động dòng chảy nước, nước khơng khí, thay đổi tính chất hóa học vật lý dịng chảy Thế nước mưa dự trữ đập nước chạy máy phát điện cơng trình thủy điện Một dạng tận dụng lượng dịng chảy sơng suối có trước thủy điện đời cối xay nước Dòng chảy biển làm chuyển động máy phát nhà máy điện dùng dòng chảy biển Dịng chảy khơng khí, hay gió, sinh điện làm quay tuốc bin gió Trước máy phát điện dùng lượng gió đời, cối xay gió ứng dụng để xay ngũ cốc Năng lượng gió gây chuyển động sóng mặt biển Chuyển động tận dụng nhà máy điện dùng sóng biển Đại dương Trái Đất có nhiệt dung riêng lớn khơng khí thay đổi nhiệt độ chậm khơng khí hấp thụ nhiệt lượng Mặt Trời Đại dương nóng khơng khí vào ban đêm lạnh khơng khí vào ban ngày Sự chênh lệch nhiệt độ khai thác để chạy động nhiệt nhà máy điện dùng nhiệt lượng biển Khi nhiệt hấp thụ từ photon Mặt Trời làm bốc nước biển, phần lượng dự trữ việc tách muối khỏi nước mặn biển Nhà máy điện dùng phản ứng nước - nước mặn thu lại phần lượng đưa nước dịng sơng trở biển 1.1.2.2 Nguồn gốc từ nhiệt Trái Đất Nhiệt Trái Đất, gọi địa nhiệt, lượng nhiệt mà Trái Đất có thơng qua phản ứng hạt nhân âm ỉ lịng Nhiệt làm nóng chảy lớp đất đá lòng Trái Đất, gây tuợng di dời thềm lục địa sinh núi lửa Các phản ứng hạt nhân lòng Trái Đất tắt dần nhiệt độ lòng Trái Đất nguội dần, nhanh nhiều so với tuổi thọ mặt Trời Địa nhiệt nguồn lượng sản xuất công nghiệp quy mô vừa, lĩnh vực như: Nhà máy điện địa nhiệt; Sưởi ấm địa nhiệt 1.1.2.3 Nguồn gốc từ động hệ Trái Đất - Mặt Trăng Trường hấp dẫn không bề mặt Trái Đất gây Mặt Trăng, cộng với trường lực qn tính ly tâm khơng tạo nên bề mặt hình elipsoit thủy Trái Đất (và mức độ yếu hơn, khí Trái Đất thạch Trái Đất) Hình elipsoit cố định so với đường nối Mặt Trăng Trái Đất, Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Trái Đất tự quay quanh nó, dẫn đến mực nước biển điểm bề mặt Trái Đất dâng lên hạ xuống ngày, tạo tượng thủy triều Sự nâng hạ nước biển làm chuyển động máy phát điện nhà máy điện thủy triều Về lâu dài, tượng thủy triều giảm dần mức độ, tiêu thụ dần động tự quay Trái Đất, lúc Trái Đất ln hướng mặt phía Mặt Trăng Thời gian kéo dài tượng thủy triều nhỏ so với tuổi thọ Mặt Trời 1.1.2.4 Các nguồn lượng tái tạo nhỏ Ngoài nguồn lượng nêu dành cho mức độ cơng nghiệp, cịn có nguồn lượng tái tạo nhỏ dùng số vật dụng: - Một số đồng hồ đeo tay dự trữ lượng lắc lư tay người hoạt động thành lị xo, thơng qua lúc lắc quay Năng lượng dùng để làm chuyển động kim đồng hồ - Một số động có rung động lớn gắn tinh thể áp điện chuyển hóa biến dạng học thành điện năng, làm giảm rung động cho động tạo nguồn điện phụ Tinh thể gắn vào đế giầy, tận dụng chuyển động tự nhiên người để phát điện cho thiết bị cá nhân nhỏ PDA, điện thoại di động - Hiệu ứng điện động giúp tạo dòng điện từ vòi nước hay nguồn nước chảy, nước qua kênh nhỏ xíu làm vật liệu thích hợp - Các ăngten thu dao động điện từ (thường phổ radio) môi trường sang lượng điện xoay chiều hay điện chiều Một số đèn nhấp nháy gắn vào điện thoại di động thu lượng sóng vi ba phát từ điện thoại để phát sáng, hoạt động theo chế 1.1.3 Vấn đề khai thác lƣợng tái tạo Việt Nam Theo báo cáo Bộ Cơng Thương, Việt Nam có đến dạng NLTT có tiềm khai thác NL gió: tiềm 8% diện tích tồn lãnh thổ, đo xác định 1800MW, khai thác 1.25MW; NL mặt trời: tiềm 4-5kWh/m2/d, khai thác 1.2KW; Thủy điện nhỏ: khai thác 300MW/4000MW tiềm năng; NL sinh khối: khai thác 150MW/800MW tiềm năng; Rác thải: khai thác 2.4MW/350MW tiềm năng; Khí sinh học: khai thác 2MW/150MW tiềm năng; NL địa nhiệt: khai thác 0MW/340MW tiềm Theo thấy NL gió NL mặt trời hai nguồn NLTT có tiềm lớn Tuy nhiên, lại nguồn NLTT khai thác cơng suất hiệu Có nhiều nguyên nhân, nguyên nhân mặt kinh tế (chi phí đầu tư ban Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn đầu cao, quy mô đầu tư lớn, giá thành sản phẩm khơng cạnh) sách hỗ trợ Nhà nước rào cản lớn việc phát triển nguồn NL Thủy điện nhỏ khai thác với công suất lớn (hơn 300MW) Tuy nhiên, theo Thạc sĩ Nguyễn Minh Việt – Viện Thủy điện Năng lượng tái tạo, tỉ lệ trạm thủy điện nhỏ ngừng hoạt động nước 61% Tổng công suất trạm hoạt động vào khoảng 3% tiềm đạt khoảng 50 đến 70% công suất thiết kế.Nguyên nhân do: suất không ổn định bất ổn thời tiết biến đổi khí hậu; thủy điện nhỏ chưa đầu tư mức Xét hiệu khai thác (tỉ lệ công suất khai thác so với tiềm năng) NL sinh khối khai thác nhiều hiệu (18.75%) NL sinh khối nguồn lượng khai thác chủ yếu từ phụ phẩm nông nghiệp (trấu, bã mía, rơm rạ…) NL sinh khối Việt Nam chưa phát triển, q trình thương mại hóa cịn hạn chế Cho đến nay, có 33 tổng số 43 nhà máy mía đường Việt Nam sử dụng hệ thống đồng phát nhiệt điện bã mía với tổng cơng suất lắp đặt 130MW Ngồi ra, sinh khối sử dụng vùng nông thôn nguồn nguyên liệu phục vụ đun nấu với quy mơ nhỏ chưa có cơng nghệ thích hợp nên hiệu suất thấp Bảng 0.1: Công suất lượng tái tạo khai thác Việt Nam STT Loại nguồn Công suất (MW) Thủy điện nhỏ Gió 52 Mặt trời Sinh khối 152 Rác thải sinh hoạt Tổng cộng 3000 3215 Thực trạng khai khác lượng tái tạo nhỏ so với tiềm chiếm khoảng 3,4% Trong theo Quy hoạch điện VII, tiêu đặt tăng tỷ lệ điện sản xuất từ nguồn NLTT chiếm 3,5% năm 2010 lên 4,5% 6% vào năm 2020 năm 2030 Với bối cảnh dự báo thời gian tới cần có giải pháp cụ thể để nâng mức phát triển lượng tái tạo cao Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 1.1.4 Xu phát triển điện gió điện mặt trời Việt Nam Trong giai đoạn vừa qua, có nhiều cơng trình nghiên cứu phát triển nguồn gió mặt trời + Đối với điện gió: Nhà máy phát điện sức gió Việt nam phải kể đến nhà máy đặt huyện đảo Bạch Long Vĩ, Hải Phịng Có công suất 800KW với số vốn đầu tư 14 tỷ đồng thời gian hồn vốn đến năm (giá bán điện tính trung bình 750VNĐ/KWh) Sau nhà máy phát điện sức gió kết hợp với máy phát điện Diesel có tổng vốn đầu tư 200 tỷ đồng, thực song giai đoạn tiếp tục thực giai đoạn năm 2009 - 2012 với tổng công suất lên đến 10MW Việt Nam có dự án điện gió với cơng suất 50 MW, nhà máy điện gió Phương Mai Bình Định phục vụ cho Khu Kinh tế Nhơn Hội, nhiên tiến độ chậm so với kế hoạch khó đánh giá hiệu kinh tế Nhà máy Phong điện dự án điện gió có quy mơ lớn Việt Nam Công ty cổ phần Năng lượng tái tạo Việt Nam (REVN) làm chủ đầu tư Vào năm 2011, toàn dự án hoàn thành vào hoạt động với 80 tua-bin, có tổng cơng suất 120 MW 1.500 dự án chủ yếu quy hoạch vùng đất bạc màu, có bụi rẫy dưa còi cọc Giai đoạn gồm 20 tua-bin chiều cao cột 85 m, đường kính cánh quạt 77 m, công suất 1,5 MW, tổng trọng lượng tuabin 89,4 tấn, cột tháp 165 Toàn thiết bị Fuhrlaender, hãng chế tạo thiết bị điện gió tiếng giới Đức cung cấp Công ty Fuhrlaender Việt Nam lắp đặt Tổng mức đầu tư giai đoạn gần 820 tỷ đồng Khi 20 tổ máy vào hoạt động ổn định, sản lượng điện mà mang lại vào khoảng 100 triệu kWh/năm Đây số lớn lại vơ có ý nghĩa, mở đầu cho ngành cơng nghiệp điện gió Việt Nam + Đối với điện mặt trời: Các hệ thống phát lượng điện mặt trời nước ta chưa phát triển thành nhà máy phát điện Tuy nhiên có số hệ thống phát điện lượng mặt trời công suất nhỏ hệ thống lượng pin mặt trời đặt Trường ĐHKTCN Thái nguyên tổ chức phi phủ Singapor tài trợ, mái nhà điện mặt Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn trời TS Nguyễn Thị Tố thành phố Hồ Chí Minh, pin mặt trời Usolar (thiết bị nhập ngoại từ Hoa Kỳ) … Việc khai thác nguồn lượng mặt trời nước ta nhiêu hạn chế, khai thác sử dụng lượng mặt trời nước ta cịn qui mơ nhỏ lẻ tập trung chủ yếu vào việc nghiên cứu, sử dụng trực tiếp lượng mặt trời (hệ thống đun nước nóng), nghiên cứu hệ thống pin mặt trời hịa vào lưới điện chưa có.Nguồn lượng từ mặt trời khai thác nhiều nơi, trung tâm thành phố Có nhiều hướng khai thác lượng mặt trời phục vụ cho sinh hoạt người, xu hướng biến đổi lượng mặt trời thành điện chiếm xu chủ đạo 1.2 Năng lƣợng mặt trời [1, 7, 8] Năng lượng mặt trời thu trái đất lượng dòng xạ điện từ xuất phát từ mặt trời đến Trái đất Mặt trời cầu lửa khổng lồ, lịng diễn phản ứng nhiệt hạch với nhiệt độ cao lên tới hàng triệu 0C Trái đất tiếp tục nhận dòng lượng phản ứng hạt nhân mặt trời cạn kiệt, ước chừng Nhà khoa học khoảng tỷ năm Như lượng mặt trời coi vô tận so với chuẩn mực đời sống người Mặt trời liên tục xạ không gian xung quanh với mật độ công suất khoảng 1353 W/m2 , nguồn gốc sống trái đất Khi xuyên qua khí trái đất phần lượng mặt trời bị hấp thụ Kết tính tốn cho thấy lượng mặt trời phân bố bề mặt trái đất với mật độ lượng trung bình, mét vng hàng năm nhận lượng từ mặt trời tương đương với khoảng 1,5 thùng dầu Các nghiên cứu người đem lại trực tiếp thu lấy lượng thông qua hiệu ứng quang điện, chuyển lượng xạ mặt trời (BXMT) thành điện (pin mặt trời) Năng lượng photon hấp thụ để làm nóng vật thể, tức chuyển thành nhiệt năng, ứng dụng cho bình đun nước mặt trời, nhà máy nhiệt điện Mặt trời, hệ thống máy điều hòa mặt trời, v.v Trường hợp khác, lượng photon hấp thụ chuyển hóa thành lượng liên kết hóa học phản ứng quang hóa, v.v Tiềm năng lƣợng mặt trời giới: Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Tiềm lượng mặt trời nước giới lớn Tuy nhiên, phân bố không đều, mạnh vùng xích đạo khu vực khơ hạn, giảm dần phía hai địa cực Tiềm kinh tế việc sử dụng lượng Mặt trời phụ thuộc vào vị trí địa điểm Trái đất, phụ thuộc vào đặc điểm khí hậu, thời tiết cụ thể vùng miền Theo số liệu thống kê xạ trung bình địa điểm giới vào khoảng 2000 kWh/m2/năm, bảng Bảng Bảng tổng hợp tiềm năng lượng Mặt trời Bức xạ Mặt trời Khu vực [1000 TWh] Chỉ số chất lượng trung bình DNI Cơng suất khai thác [kWh/tháng/năm] [1000 TWh/năm] North America 11,500 2410 1,150 South America 13,500 2330 1,350 Africa/Europe/Asia 73,500 2600 7,350 Pacific 23,000 2950 2,300 Total 121,500 12,150 Tiềm năng lƣợng mặt trời Việt Nam: Về mặt vị trí địa lý, Việt Nam hưởng nguồn lượng mặt trời vô lớn Trải dài từ vĩ độ 23023’ Bắc đến 8027’ Bắc, Việt Nam nằm khu vực có cường độ xạ mặt trời tương đối cao Trong đó, nhiều phải kể đến thành phố Hồ Chí Minh, tiếp đến vùng Tây Bắc (Lai Châu, Sơn La, Lào Cai) vùng Bắc Trung Bộ (Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh), bảng Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 10 Bảng Số liệu xạ lượng Mặt trời vùng Việt Nam Giờ nắng năm Bức xạ kcal/cm2/năm Khả ứng dụng Đông Bắc 1500-1700 100-125 Thấp Tây Bắc 1750-1900 125-150 Trung bình Bắc Trung Bộ 1700-2000 140-160 Tốt Tây Nguyên, Nam TB 2000-2600 150-175 Rất tốt Nam Bộ 2200-2500 130-150 Rất tốt Trung bình nước 1700-2500 100-175 Tốt Vùng 1.3 Mơ hình sử dụng lƣợng mặt trời hệ thống cung cấp điện Như phân tích, đặc điểm chung nguồn điện sử dụng lượng tái tạo phân tán, cơng suất nhỏ hồn thiện dần chất lượng điện cung cấp Hiện tại, nguồn điện điện thuộc dạng chủ yếu khai thác hình thức sau: Mạng điện độc lập, mạng điện có kế nối lưới tiến đến tương lai gần mạng điện thông minh Đối với vùng sâu vùng xa, nơi mà điện lưới quốc gia khơng có điều kiện vươn tới, khu vực biên giới hải đảo việc thiết lập mạng điện độc lập giải pháp Trước đây, nguồn cung cấp cho mạng điện độc lập chủ yếu máy phát điện diesel với công suất từ vài chục đên vài trăm kW Ngày nay, việc sử dụng nguồn lượng tái tạo cho mạng điện độc lập phổ cập Ví dụ như: hệ pin mặt trời, điện sức gió, điện đại dương, V.V Mơ hình mạng điện độc lập nguồn lượng tái tạo phát triển đa dạng loại nguồn cấu trúc sơ đồ, đa dạng công suất từ nhỏ đến vừa phù hợp cho cắc đối tượng ứng dụng khác nhau, chí dùng riêng cho phụ tải hay hộ gia đình Ví dụ hình vẽ sau; Sơ đồ hình mơ tả mạng điện với nguồn sử dụng dạng pin mặt trời gồm module kết nối thành hệ nguồn PV Array có điện áp cơng suất phù hợp Pin sản sinh điện chiều qua điều khiển nạp cho ắc quy có dung lượng 3116 Wh/ ngày Từ ắc quy, nhánh cấp trực tiếp cho tủ lạnh chạy điện dc, nhánh khác thông qua biến tần dc/ac cấp cho tải xoay chiều gia đình Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 11 Hình 1.1: Mơ hình điện mặt trời cho hộ gia đình 1.4 Định hƣớng nghiên cứu Đề tài tập trung vào việc xây dựng cấu trúc điều khiển nghiên cứu thiết kế điều khiển nhằm nâng cao chất lượng sử dụng lượng mặt trời hệ thống điện (có kể đến nối lưới) điều khiển mờ có so sánh chất lượng điều khiển mờ với điều khiển PID 1.5 Kết luận chƣơng Chương giải số vấn đề sau: - Giới thiệu vấn đề lượng tái tạo - Phân tích tổng quan tiềm việc sử dụng lượng mặt trời - Lựa chọn phương pháp điều khiển mờ để điều khiển hệ thống phát điện sử dụng lượng mặt trời Trên sở nghiên cứu bước đầu hệ thống phát điện sử dụng lượng mặt trời, chương sâu nghiên cứu cấu trúc điều khiển cho hệ thống phát điện sử dụng lượng mặt trời Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 12 CHƢƠNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƢỚI 2.1 Mô tả hệ thống điện mặt trời nối lƣới 2.1.1 Sơ đồ khối hệ thống Hệ thống phát điện sử dụng lượng mặt trời (còn gọi hệ thống phát điện sử dụng lượng tái tạo) hệ thống cho phép lượng khai thác nguồn lượng mặt trời thông qua biến đổi điện tử công suất để biến thành điện xoay chiều pha pha có tần số 50Hz (hoặc 60Hz) cung cấp trực tiếp cho tải nối với lưới điện quốc gia lưới điện khu vực Hệ thống linh hoạt lắp đặt sử dụng phận thiếu lưới điện thông minh Trong phạm vi đề tài, tập trung nghiên cứu hệ thống phát điện sử dụng lượng mặt trời biến đổi thành điện xoay chiều nối với lưới điện pha tần số 50Hz Những kết nghiên cứu hệ thống dễ dàng áp dụng cho hệ thống pha Hình 2.1 minh họa hệ thống phát điện sử dụng lượng mặt trời nối lưới pha [11, 12]: Hình 2.1: Hệ thống phát điện sử dụng lượng mặt trời nối lưới Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn ... quan hệ thống phát điện sử dụng lượng mặt trời Chương 2: Cấu trúc điều khiển hệ thống điện mặt trời nối lưới Chương 3: Thiết kế điều khiển PID điều khiển hệ thống phát điện sử dụng lượng mặt trời. .. việc sử dụng lượng mặt trời - Lựa chọn phương pháp điều khiển mờ để điều khiển hệ thống phát điện sử dụng lượng mặt trời Trên sở nghiên cứu bước đầu hệ thống phát điện sử dụng lượng mặt trời, ... hệ thống điện mặt trời nối lƣới 2.1.1 Sơ đồ khối hệ thống Hệ thống phát điện sử dụng lượng mặt trời (còn gọi hệ thống phát điện sử dụng lượng tái tạo) hệ thống cho phép lượng khai thác nguồn lượng