Tính toán thiết kế mô hình điện gió hòa lưới phong điện 5kw có sử dụng thuật toán dò tìm điểm làm việc công suất cực đại mppt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐÔNG Á ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TÊN ĐỀ TÀI: TÍNH TỐN THIẾT KẾ MƠ HÌNH ĐIỆN GIĨ HỊA LƯỚI (PHONG ĐIỆN) 5KW CĨ SỬ DỤNG THUẬT TỐN DỊ TÌM ĐIỂM LÀM VIỆC CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI Sinh viên thực hiên Ngày sinh Lớp Khoa Giáo viên hướng dẫn : : : : : Đặng Minh Thao 25/09/19870 DLĐĐT10.12 Điều khiển Tự động hóa ThS Nguyễn Sơn Hải Bắc Ninh, Tháng 11 năm 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐÔNG Á Đặng Minh Thao TÊN ĐỀ TÀI: TÍNH TỐN THIẾT KẾ MƠ HÌNH ĐIỆN GIĨ HỊA LƯỚI (PHONG ĐIỆN) 5KW CĨ SỬ DỤNG THUẬT TỐN DỊ TÌM ĐIỂM LÀM VIỆC CƠNG SUẤT CỰC ĐẠI Giáo viên hướng dẫn: ThS.Nguyễn Sơn Hải Bắc Ninh, Tháng 11 năm 2021 Mục lục LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG LÍ THUYẾT TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ 1.1 Thực trạng lượng môi trường 1.2 Sự hình thành lượng gió 1.3 Các đặc trưng lượng gió 1.3.1 Tốc độ gió 1.3.2 Hướng gió 1.4 Ưu điểm lượng gió 1.5 Nhược điểm lượng gió 11 CHƯƠNG 2: CÁC LÝ THUYẾT CƠ BẢN VÀ CẤU TẠO TUA BIN GIÓ 12 2.1 Nguyên lý biến đổi lượng gió 12 2.2 Phân loại Tua-bin gió 12 2.3 Các dạng truyền động 13 2.4 Định luật cảm ứng điện từ 15 2.4.1 Trường hợp từ thơng xun qua vịng dây biến thiên 15 2.4.2 Trường hợp dẫn chuyển động từ trường 16 2.5 Định luật lực điện từ 16 2.6 Hòa đồng 17 2.7 Cấu Tạo Tua-Bin Gió 18 2.8 Roto gió 21 2.8.1 Hệ thống Roto 21 2.8.2 Những nguyên tắc điều chỉnh hệ thống Roto 26 2.9 Bộ truyền động phận phanh 28 2.10 Vỏ hệ thống định hướng 30 CHƯƠNG ĐI SÂU TÌM HIỂU ĐIỂM CƠNG SUẤT CƯC ĐẠI CHO TUA BIN GIĨ VÀ MƠ PHỎNG MATLAB 32 3.1 Giới thiệu chung 32 3.2 Bộ biến đổi DC-DC 35 3.3 Bộ biến đổi DC-DC tăng áp (Boost converter) 36 3.4 Giới hạn MPPT 39 3.5 Mô mơ hình giải thuật Matlab 41 3.5 Kết mô 46 KẾT LUẬN 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49 LỜI MỞ ĐẦU Nhu cầu lượng thời đại khoa học kỹ thuật không ngừng gia tăng Tuy nghiên nguồn lượng truyền thống khai thác : than đá, dầu mỏ, khí đốt, khí thiên nhiên thủy điện…đang ngày cạn kiệt Khơng chúng cịn có tác hại xấu môi trường như: gây ô nhiễm môi trường, ô nhiễm tiếng ồn, mưa axit, trái đất ấm dần lên, thủng tầng ozon Do đó, việc tìm khai thác nguồn lượng lượng hạt nhân, lượng địa nhiệt, lượng gió lượng gió cần thiết Việc nghiên cứu lượng gió ngày thu hút quan tâm nhà nghiên cứu, tình trạng thiếu hụt nghiêm trọng lượng Năng lượng mặt trời nguồn lượng sạch, dồi dào, hồn tồn miễn phí, khơng gây nhiễm mơi trường không gây ô nhiễm tiếng ồn … Hiện nay, lượng gió vào sống người, chúng áp dụng rộng rãi dân dụng công nghiệp nhiều hình thức khác Năng lượng gió có nhiều ưu điểm ưu việt Vì vậy, cần có phương pháp để theo dõi di chuyển điểm có cơng suất cực đại áp đặt cho hệ thống làm việc Do nên em chọn đề tài: “ Thiết kế hệ thống điện gió (Phong điện) 5KW hịa lưới có sử dụng thuật tốn dị tìm điểm làm việc cơng suất cực đại ” Đề tài trình bày chương: Chương : Lí thuyết tổng quan lượng gió Chương : Các lí thuyết cấu tạo tuabin gió Chương : Đi sâu tìm hiểu điểm cơng suất cực đại mơ Matlab Trong q trình thực đồ án tốt nghiệp, em cố gắng tìm tịi, học hỏi nghiên cứu kiến thức để hoàn thành đồ án Do kinh nghiệm kiến thức thân nhiều hạn chế nên báo cáo đồ án tốt nghiệp em khó tránh khỏi thiếu sót Vậy em mong nhận góp ý từ phía thầy để em hồn thiện thêm kiến thức cho thân Qua em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo ThS Nguyễn Sơn Hải hướng dẫn giúp đỡ em suốt trình làm đồ án tốt nghiệp Bắc Ninh, tháng 11 năm 2021 Sinh viên thực Chu Mạnh Dũng CHƯƠNG LÍ THUYẾT TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIĨ 1.1 Thực trạng lượng mơi trường Năng lượng điều kiện thiết yếu đời sống người Từ kỷ 20, người sử dụng lượng hóa thạch, lượng hạt nhân, bước đầu sử dụng lượng tái tạo để phát điện nhằm phục vụ sản xuất cải thiện đời sống cho nhân loại Ngày trữ lượng than, dầu, khí ngày cạn kiệt Mặt khác, dùng chúng phát điện thải khí nhà kính vào khí làm cho Trái Đất ngày nóng lên, gây biến đổi khí hậu tồn cầu Xây dựng nhà máy điện sức gió giải pháp nhanh chóng nâng cao sản lượng điện, đáp ứng nhu cầu điện thời gian không lâu Các máy phát điện sử dụng sức gió sử dụng nhiều nước Châu Âu, Châu Mỹ nước công nghiệp phát triển khác Sau thảm họa Chernobyl (Ukraine 1986), đấu tranh đòi hủy bỏ nhà máy điện nguyên tử Đức diễn ngày mãnh liệt nên điện sức gió phát triển mạnh, sản lượng vượt xa sản lượng thủy điện trở thành nguồn lượng đáng kể cường quốc công nghiệp Tại Việt Nam, năm 2004 đầu tư cho đảo Bạch Long Vĩ 800 kW điện gió 414 kW kết hợp điêden hết 938150 USD Đầu tư cho điện gió khơng lớn so với đầu tư cho nhà máy điện khác Việt Nam: nhà máy điện ng Bí 890000 USD/MW, Nhà máy điện Ninh Bình gần triệu USD/MW, Nhà máy điện Khí Phú Mỹ 3: 627784 USD/MW, thủy điện Đại Ninh: 1.45 triệu USD/MW, thủy điện Sơn la triệu USD/MW Theo đồ phân bố cấp độ gió tổ chức Khí tượng giới đồ phân bố cấp tốc độ gió khu vực Đơng Nam Á, tổ chức True Wind Solutions LLC (Mỹ) lập theo yêu cầu Ngân hàng Thế giới, xuất năm 2001 cho thấy: Khu vực ven biển từ Bình Định đến Bình Thuận, Tây Ngun, dãy Trường Sơn phía Bắc trung bộ, nhiều nơi có tốc độ gió đạt từ 7.0; 8.0 9.0 m/giây, phát điện với công suất lớn (nối lưới điện quốc gia), hầu hết ven biển lại lãnh thổ, số nơi, vùng núi đất liền Bảng 1.1: Tiềm năng lượng gió Việt Nam (Theo World Bank-2001) Tốc độ gió TB Kém (9 m/s) (7-8 m/s) Diện tích đất 197342 100367 25679 2187 113 % Tổng diện tích 60.6 30.8 7.9 0.7 ~0 MW tiềm 3kw 401444 102716 8748 452 (km2) Hình 1.1: Bản đồ phân bố gió Việt Nam độ cao 80 mét (World Bank2001) Gần đây, Việt Nam đưa vào vận hành Tua-bin phát điện gió với cơng suất 800 kW kết hợp điêden có cơng suất 414 kW đảo Bạch Long Vĩ Tổng công ty Điện lực Việt Nam đầu tư 142 tỷ đồng xây dựng hệ thống điện gió kết hợp điện lưới đảo Phú Qúy (Bình Thuận) Hiện có ba phương áp xây dựng điện gió: Phương Mai I 30 MW triển khai xây dựng, Phương Mai II 36 MW Phương Mai III 50 MW triển khai dự án khả thi Kết nêu dung cho dự án tiền khả thi, muốn xây dựng dự án khả thi phải có số liệu đo trực tiếp độ cao 65 m nơi để Tuabin phát điện gió Do đó, cần có đề tài khoa học đánh giá diện tích đặt Tuabin gió, xác định tổng cơng suất điện gió tồn lãnh thổ, làm sở để kêu gọi nhà đầu tư nước ngồi nước Sử dụng điện gió tiết kiệm nguồn lượng hóa thạch, bảo vệ mơi trường phát triển bền vững, khắc phục khủng hoảng lượng tương lai Ở nước ta có diện tích ven biển, thềm lục địa, vùng Tây Nguyên nơi khác lãnh thổ có nhiều tiềm điện gió, cần ưu tiên nghiên cứu, khai thác điện gió để với nguồn điện khác đáp ứng nhu cầu điện phục vụ sản xuất đời sống 1.2 Sự hình thành lượng gió Năng lượng gió hình thức gián tiếp lượng mặt trời, động khơng khí di chuyển bầu khí trái đất Sở dĩ nguyên nhân sau: • Bức xạ mặt trời chiếu xuống bề mặt trái đất không Một nửa bề mặt trái đất (mặt ban đêm) bị che khuất không nhận xạ mặt trời thêm vào xạ mặt trời gần xích đạo nhiều cực dẫn đến có khác áp suất, khơng khí xích đạo hai cực khơng khí mặt ban ngày ban đêm trái đất di động tạo thành gió • Trái đất xoay trịn góp phần làm xốy khơng khí, trục quay trái đất nghiêng so với mặt phẳng quỹ đạo quay quanh mặt trời nên tạo thành dòng khơng khí theo mùa Các kí hiệu sơ đồ: - VS nguồn điện chiều tuyến tính đầu vào - C tụ phân cực, dùng để lọc ngõ biến đổi - S thiết bị chuyển mạch Thiết bị chuyển mạch kích hoạt để sạc xả điện dẫn đầu vào Hiện nay, có thiết bị chuyển mạch phổ biến IGBT, MOSFET, v.v MOSFET thường chuyển đổi tần số tương đối cao hơn, so với IGBT - L cuộn cảm, thiết bị lưu trữ lượng trung bình - D diode Nó điều chỉnh hướng dịng điện thời gian S bật tắt - R tải Tải bóng đèn, động cơ, ac-quy , ❖ Đặc điểm biến đổi DC-DC tăng áp : - Dòng áp tồn chế độ xác lập - Chu kỳ chuyển mạch T, khóa S đóng khoảng thời gian DT, khóa mở khoảng thời gian (1-D)T Dòng cuộn cảm liên tục - Tụ điện lớn, điện áp ngõ số V O - Để xây dựng biểu thức tốn học tìm hiểu ngun lý hoạt động dễ dàng linh kiện xem lý tưởng Phân tích trường hợp biến đổi đóng, mở van S 37 ❖ Hình 3.4:Các dạng sóng biến đổi DC-DC tăng áp 38 • Khi van S đóng (0 - DTs) : Dịng điện i L(t) chạy từ cực dương nguồn qua điện cảm L qua van trở cực âm nguồn dòng điện i C(t) khép vòng qua điện trở R, tụ điện C, khơng có dịng chảy qua điốt D Được mơ tả hình 4.3 Hình 3.5:Bộ biến đổi DC-DC tăng áp đóng khóa S 3.4 Giới hạn MPPT Giới hạn MPPT khơng tác động đến tín hiệu xác định điểm làm việc có cơng suất lớn Nó khơng thể lúc tác động lên tín hiệu vào tín hiệu Vì vậy, hệ thống cần điện áp ổn định phải sử dụng đến ắc quy để trì điện áp ổn định Một nhược điểm khác MPPT là: việc xác định điểm làm việc có cơng suất tối ưu dừng lại tải tiêu thụ hết lượng công suất sinh Đối với hệ PV làm việc độc lập có tải bị giới hạn dịng áp lớn phương pháp MPPT dịch chuyển điểm làm việc khỏi điểm MPP gây tổn hao công suất Với hệ này, việc xác định xác dung lượng tải quan trọng để tận dụng hết dung lượng pin mặt trời Ngược lại, hệ PV làm việc với lưới xác định điểm làm việc có cơng suất lớn thừa cơng suất hệ thống bơm vào lưới điện để tăng lợi nhuận 39 Tuy nhiên, hiệu suất biến đổi DC/DC thực tế dùng MPPT không đạt 100% Hiệu suất tăng lên từ phương pháp MPPT lớn hệ thống pin mặt trời cần phải tính đến tổn hao cơng suất biến đổi DC/DC gây Cũng phải cân nhắc hiệu suất giá thành Việc phân tích tính kinh tế hệ thống pin mặt trời với hệ thống cung cấp điện khác việc tìm cách thức khác để nâng cao hiệu suất cho hệ thống pin mặt trời (chẳng hạn dùng máy theo dõi mặt trời) việc làm cần thiết 40 Nhìn chung, ba phương pháp điều khiển thuật toán tương đối giống Nhưng để chọn phương pháp đơn giản, tối ưu phù hợp với nhu cầu thực tế ta nên chọn phương pháp thứ hai điều khiển trực tiếp chu kỳ nhiệm vụ D 3.5 Mơ mơ hình giải thuật Matlab MATLAB mơt chương trình sử dụng để mơ mơ hình hóa mạch điện tử tương tự Chương trình cho phép mô thiết kế trước bắt tay vào xây dựng phần cứng Các chương trình mơ cho phép quan sát thay đổi mạch điện ta thay đổi tín hiệu đầu vào giá trị thành phần mạch điện Do kiểm tra lại thiết kế coi hoàn thành để xem chúng có chạy thực tế hay khơng MATLAB mô tiến hành phép đo kiểm tra phần thiết kế mạch điện Để khảo sát mạch điện nói chung mạch điện tử cơng suất nói riêng ta tiến hành theo bước sau: - Xác định mơ hình phần tử cần thiết để xây dựng mạch điện Đa số phần tử có thư viện mơ hình chương trình, nhiên số trường hợp ta phải xây dựng Mơ hình MATLAB phản ánh đặc điểm tính chất vật lý thiết bị thực Mơ hình gần với thực tế kết phân tích đáng tin cậy Mặc dù số trường hợp, khảo sát đặc tính cần mơ hình hóa tham số, thơng số liên quan đến đặc tính - Thiết lập sơ đồ nguyên lý mạch cần nghiên cứu Cần phải đảm bảo chắn sơ đồ nguyên lý xây dựng đắn - Thiết lập thông số sơ đồ tham số khảo sát 41 - Tiến hành khảo sát, thường chia làm hai giai đoạn: Trước hết chạy thử chương trình với chế độ mà kết biết trước để kiểm tra độ xác mơ hình Tiếp theo, mơ hình đạt độ tin cậy cần thiết, tiến hành nghiên cứu với chế độ cần khảo sát theo yêu cầu đặt Hình 3.7 :Mơ hệ thống tua bin lương gió 42 Hình 3.8: Mơ hệ thơng tua bin lượng gió 43 Hình 3.9: Mơ giải thuật P&O 44 Hình 3.10: Mơ giải thuật P&O 56 45 3.5 Kết mơ Hình 3.11: Năng lượng gió thu trước sử dụng MPPT 46 Hình 3.12:Điện áp ngõ sau sử dụng MPPT 47 KẾT LUẬN Sau thời gian nghiên cứu làm việc nghiêm túc hướng dẫn tận tình ThS Ngơ Quang Vĩ em hồn thành đồ án tốt nghiệp giải vấn đề nêu đề tài: - Đã tìm hiểu cách chuyển đổi lượng gió - Tìm hiểu cấu tạo, ngun lý hoạt động, đặc tính làm việc lượng gió - Nghiên cứu thuật tốn bám điểm cơng suất cực đại P&O - Tiến hành mô đưa kết Tuy nhiên thời gian có hạn trình độ thân cịn nhiều hạn chế, thiếu sót nên em chưa hồn thành đề tài cách suất sắc Em mong muốn nhận bảo, sửa chữa, đóng góp ý kiến thầy để em thực hiện, hồn thành đề tài tốt củng cố thêm kiến thức cho thân Em xin chân thành cảm ơn! Băc Ninh, ngày tháng năm 2020 Sinh viên thực Chu Mạnh Dũng 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] TS Nguyễn Dáo “ Giáo trình lượng tái tạo”, Đại học Tơn Đức Thắng XB năm 2008 [2] Đặng Đình Thống, silde: “Năng Lượng Bức Xạ Mặt Trời, Công nghệ điện nhiệt mặt trời”,Viện VLKT – BKHN.XB năm 2006 [3] Roberto F Coelho, Filipe M Concer, Denizar C Martins, “Analytical and Experimental Analysis of DC-DC Converters in Photovoltaic Maximum Power Point Tracking Applications ”, Federal University of Santa Catarina - Brazil XB năm 2001 [4] Roberto F Coelho, Walbermark M dos Santos and Denizar C Martins “Influence of Power Converters on PV Maximum Power Point Tracking Efficiency”, Federal University of Santa Catarina – Electrical Engineering Department XB năm 2005 [5] Robert W Erickson ,Fundamentals of Power Electronics, second edition Kluwer Academic Publishers, 2001 [6] Colonel Wm T McLyman ,Transformer and inductor design handbook, Third edition, Marcel Decker Inc, 2004 [7] Nguyễn Phùng Quang, Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2008 49 [8] Akihiro Oi, “Design and simulation of photovoltaic water pumping system”, September 2005 [9] http://pinmattroi.com/kien-thuc-co-ban-ve-pin-mat-troi.html [10] Liyu Cao, “Design Type II Compensation In A Systematic Way”, Ametek Programmable Power Website: http://vi.scribd.com/doc/215284187/Type-II-Compensator [11] Masoum, Mohammad A S Dehbonei, Hooman, “ Design, Construction and Testing of a Voltage-based Maximum Power 50 51