Tính toán giải pháp nâng cao hiệu quả vận hành của hệ thống pin mặt trời (tóm tắt)

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HUỲNH NGỌC TUYẾN TÍNH TỐN GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ VẬN HÀNH CỦA HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI C C R UT.L D Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 8520201 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng, 2021 Cơng trình hồn thành tại: ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Người hướng dẫn khoa học: TS ĐOÀN ANH TUẤN Phản biện 1: TS Trần Tấn Vinh Phản biện 2: TS Trần Vinh Tịnh C C R UT.L Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Điện họp Trường Đại học Bách khoa vào ngày 20 tháng 03 năm 2021 D Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Học liệu Truyền thông, Đại học Đà Nẵng trường ĐH Bách khoa - Thư viện Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng 1 Lý chọn đề tài Nhu cầu điện ngày tăng cao đòi hỏi phải có giải pháp phát triển nguồn điện, đồng thời phải giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường nguồn điện truyền thống gây nên Các vấn đề thời tiết như: nhiệt độ, xạ,…, yếu tố làm thay đổi khả hấp thụ lượng làm cho lượng thu thiếu ổn định Hai phương pháp MPPT sử dụng phổ biến là: Thuật toán nhiễu loạn quan sát P&O (Perturb and Observe) Thuật toán điện dẫn gia tăng INC (Incremental Conductance), song hai phương pháp tồn nhiều nhược điểm: khả đáp ứng chậm, gây thất thoát phần lượng,… cần phải nghiên cứu thêm thuật toán cải tiến tổng hợp, so sánh lượng thu phương pháp MPPT để góp phần nâng cao hiệu vận hành cho hệ thống pin quang điện Vị trí Trường Cao đẳng Giao thơng Vận tải TW thuộc miền Trung Việt Nam Nơi có vị trí địa lý gần xích đạo, có tổng số nắng cường độ xạ nhiệt cao (trung bình xấp xỉ KWh/m2/ngày), đánh giá khu vực có tiềm lớn lượng mặt trời Để giải vấn đề này, chọn đề tài: “Tính tốn giải pháp nâng cao hiệu vận hành hệ thống pin mặt trời” Nội dung luận văn tập trung vào phân tích, tính tốn thuật toán MPPT, đánh giá ưu nhược điểm thuật toán sử dụng nhằm mục đích so sánh hiệu kinh tế điện phương pháp, đề xuất giải pháp thu lượng tối ưu nhất, từ khắc phục nhược điểm cịn tồn Ứng dụng thực tế việc thiết kế, cải tiến hệ thống điện nhà trường nhằm nâng cao chất lượng điện năng, đảm bảo nguồn điện doanh nghiệp hoạt động liên tục, đáp ứng nhu cầu sử dụng D C C R UT.L hiệu lượng, tiết kiệm chi phí, giảm lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính ảnh hưởng đến tình hình biến đổi khí hậu nay, giảm thiểu việc nhiễm mơi trường Mục tiêu nghiên cứu - Phân tích, so sánh hiệu kinh tế điện phương pháp, đề xuất giải pháp thu lượng tối ưu nhất, từ khắc phục nhược điểm cịn tồn Tính tốn so sánh, đánh giá kết thu thông qua mô phần mềm Matlab/Simulink kết hợp lắp đặt mạch chuyển đổi thực tế - Đảm bảo lưới điện hoạt động xun suốt, ln sẵn sàng có nguồn thay điện; nâng cao hiệu sử dụng điện cho hoạt động nhà trường; giảm thiểu tình trạng lệ thuộc nguồn từ lưới điện; tăng hiệu suất thiết bị tiêu thụ điện; chi phí thấp so với sử dụng máy phát; lợi nhuận kinh tế tăng cao C C R UT.L Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: - Các thuật tốn bắt điểm cơng suất cực đại hệ thống mặt trời; - Phương pháp mơ hình hóa, mơ thuật toán; nhu cầu điện khu nhà học viên; hệ thống phụ tải chiếu sáng nhà trường Phạm vi nghiên cứu: - Nghiên cứu thuật toán MPPT thường sử dụng hệ thống mặt trời; tính tốn, so sánh lượng thu từ phương pháp thuật toán MPPT; thiết kế hệ thống pin mặt trời mang tính ứng dụng thực tế; thời gian nghiên cứu: 06 tháng D Nội dung nghiên cứu Đề tài “Tính tốn giải pháp để nâng cao hiệu vận hành hệ thống điện mặt trời” tập trung nghiên cứu mô mạch chuyển đổi lượng kết hợp với thuật toán MPPT, đưa nhược điểm cịn tồn từ đề xuất giải phái cải tiến cách sử dụng phương pháp MPPT Phương pháp đề xuất kiểm tra tính đắn phương pháp mơ cơng cụ tốn học Matlab/Simulink kết hợp với lắp đặt mạch chuyển đổi thực tế, thiết kế hệ thống pin lượng mặt trời cấp điện cho phụ tải Ý nghĩa khoa học thực tiễn của đề tài Ý nghĩa khoa học: Ứng dụng nghiên cứu lượng tái tạo nói chung lượng mặt trời nói riêng Mơ hình hóa hệ thống lượng mặt trời sử dụng thuật toán bắt điểm công suất cực đại Thiết kế hệ thống pin mặt trời cấp điện cho phụ tải, so sánh hiệu kinh tế sử dụng phương pháp thuật tốn MPPT Tính thực tiễn: Đề tài có khả phát triển tạo thành chuyển đổi hoàn thiện cho lượng mặt trời kết nối với lưới điện phân phối cấp điện áp 0.4kV D C C R UT.L CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯƠNG MẶT TRỜI VÀ CÁC BỘ CHUYỂN ĐỔI DC/DC 1.1 Tổng quan về sự phát triển của lượng tái tạo Ngày nay, ngành cơng nghiệp điện có bước tiến đột phá phát triển đồng từ khâu: sản xuất, truyền tải phân phối, đưa phương thức vận hành sử dụng điện cho hiệu quả, tiết kiệm, việc đưa vào sử dụng lượng thay thế, tái tạo (các nguồn lượng mặt trời, gió, sóng biển ….) giải pháp sử dụng rộng rãi giới Do vậy, việc tích hợp nguồn vào lưới điện truyền thống vấn đề quan tâm nghiên cứu ứng dụng Việt Nam quốc gia có tiềm lớn lượng mặt trời nhờ vào đặc điểm địa lý thuận lợi gần xích đạo khí hậu nhiệt đới Cường độ BXMT trung bình khoảng từ 4-5 kWh/m2 ngày Tiềm NLMT nhận định mức cao, nhiều khu vực thuộc tổng lượng xạ năm từ 1300 kWh/m2 đến 2400 kWh/m2 có xu hướng tăng từ Bắc vào Nam Tương tự, số nắng khu vực 1400 giờ/năm có xu hướng tăng từ Bắc vào Nam.Với số liệu thấy, từ khu vực Miền Trung trở vào, đặc biệt khu vực Tây Nguyên Nam Trung Bộ, mang tiềm phát triển lượng mặt trời lớn 1.1.1 Điện mặt trời Điện mặt trời phát triển với nhiều quy mô khác Xét theo quy mơ cơng suất ta phân loại sau: Quy mô công suất lớn nối lưới thường nhà máy điện mặt trời (PV farm) kết nối với lưới điện với công suất pin quang điện lớn Quy mô công suất nhỏ nối lưới thường dàn pin lắp mái (rooftop) hộ tiêu thụ nhỏ: gia đình, cơng sở, … Quy mơ nhỏ không nối lưới thường pin mặt trời D C C R UT.L công suất thấp, lượng điện sinh sử dụng trực tiếp (như dùng đèn chiếu sáng, thiết bị công suất thấp, viễn thông, …) 1.2 Pin lượng mặt trời Hiện nay, loại vật liệu thông dụng sử dụng tạo pin mặt trời silic tinh thể Các loại pin với công suất phổ biến nay: 22Wp, 50Wp, 75Wp, 100Wp, 125Wp, 150Wp, 175Wp, 250Wp, 330Wp, … nhiên khơng có loại vượt q 400wp Điện áp phổ biến PV 12V, 20V, 40V, tất điện áp chiều 1.2.1 Phân loại pin lượng mặt trời Có loại hình PV sử dụng phổ biến: dạng momo (đơn tinh thể), dạng poly (đa tinh thể) dạng phim mỏng 1.2.2 Mô hình hóa pin lượng mặt trời 1.3 Các chuyển đổi DC/DC Có loại chuyển đổi lượng DC/DC: Loại cách ly: Có máy biến áp để cách ly hai nguồn điện đầu vào đầu ra, sử dụng đồng tỉ số biến áp phương pháp điều chế thay đổi độ rộng xung điều khiển để tăng giảm áp Ưu điểm chuyển đổi có sử dụng máy biến áp cách ly có độ an tồn cao, nhiên hiệu suất chuyển đổi thấp nên sử dụng Loại không cách ly không sử dụng máy biến áp Ưu điểm loại cho hiệu suất chuyển đổi cao nên sử dụng phổ biến Các biến đổi thường dùng: - Bộ biến đổi giảm áp (Buck): Biến đổi điện áp đầu thấp điện áp đầu vào - Bộ biến đổi tăng áp (Boost): Biến đổi nâng điện áp đầu cao điện áp đầu vào - Bộ biến đổi đảo dấu điện áp (Buck – Boost): lại kết hợp hai biến đổi trên, tăng giảm điện áp dựa cách điều khiển van bán dẫn D C C R UT.L 1.3.1 Mạch chuyển đổi tăng áp (Boost Converter) 1.3.2 Mạch giảm áp 1.4 Kết luận Chương trình bày khái quát lượng mặt trời phát triển loại hình lượng Các chuyển đổi lượng chiều DC/DC thường sử dụng đề cập đến về: nguyên lý hoạt động, cách tính tốn phần tử, Làm sở khai triển cho chương đề tài D C C R UT.L CHƯƠNG 2: CÁC THUẬT TỐN BẮT ĐIỂM CƠNG SUẤT CỰC ĐẠI MPPT (MAXIMUM POWER POINT TRACKING) 2.1 Giới thiệu chung Thuật toán bắt điểm công suất cực đại - MPPT (Maximum Power Point Tracker) phương pháp dị tìm họ điểm làm việc tối ưu hệ thống PV, thông qua việc đo lường tín hiệu dịng điện điện áp hệ pin quang điện, đưa kết giá trị góc mở D (độ rộng xung điều khiển) để đóng cắt linh kiện bán dẫn chuyển đổi theo thời gian từ nâng cao lượng cơng suất thu từ PV, hai phương pháp phổ biến nhất: Thuật toán nhiễu loạn quan sát P&O (Perturb and Observe) thuật toán điện dẫn gia tăng INC (Incremental Conductance) 2.2 Đường đặc tính Vơn-Ampe đặc tính cơng suất của pin 2.3 Các thuật tốn bắt điểm cơng suất cực đại 2.3.1 Thuật toán P&O Đây phương pháp đơn giản thông dụng nhờ giản đơn thuật tốn dễ dàng thực Thuật tốn theo dõi biến thiên điện áp theo chu kỳ để tìm điểm làm việc có cơng suất lớn Nếu biến thiên điện áp làm cơng suất tăng lên biến thiên giữ nguyên chiều hướng tăng giảm Ngược lại, biến thiên làm cơng suất giảm xuống biến thiên có chiều hướng thay đổi ngược lại Khi điểm MPP xác định đường cong đặc tính điện áp dao động xung quanh điểm làm việc có cơng suất lớn tìm [11-13]  Giải thích thuật tốn: - Nếu ∆V.∆P > giảm D để tăng giá trị điện áp đầu pin - Nếu ∆V.∆P < tăng D để giảm giá trị điện áp điện áp đầu pin D C C R UT.L Sau thuật tốn cập nhật giá trị thay cho giá trị trước V, P tiến hành đo thông số I, V cho chu kỳ làm việc 2.3.2 Thuật toán điện dẫn gia tăng INC (Incremental Conductance) Phương pháp dựa đặc điểm là: độ dốc đường đặc tính pin điểm MPP, độ dốc dương bên trái điểm MPP, âm bên phải điểm MPP  Giải thích thuật tốn: - Trong trường hợp ∆V = 0, ∆I>0 tăng Vref, ∆I -I/V giảm Vref ∆I/∆V < -I/V Vref giữ nguyên ∆I/∆V = -I/V Sau thuật bước so sánh hoàn thành, điều khiển cập nhật giá trị I V tiến hành tiếp tục vịng lặp 2.3.3 Tḥt tốn leo đồi (Hill Climbing) Giải thuật Hill Climbing kỹ thuật tối ưu tốn học để tìm kiếm giá trị cực đại cực tiểu vùng lân cận xét Ta nhận xét đường đặc tính cơng suất pin có giá trị cực đại nên ta áp dụng giải thuật để dị tìm điểm cơng suất cực đại  Giải thích thuật tốn: Bộ điều khiển sử dụng hai thơng số ∆P, ∆D để kiểm tra - Nếu công suất tăng (∆P>0) độ rộng xung điều khiển tăng (∆D>=0) tiếp tục tăng độ rộng xung điều khiển D - Nếu công suất tăng (∆P>0) độ rộng xung điều khiển giảm (∆D