Trang 1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP DƢƠNG VĂN PHƢƠNGNGHIÊN CỨU XÂY DỰNG THUẬT TỐN KHAI THÁC TỐI ĐA CƠNG SUẤT VÀ DUY TRÌ TRẠNG THÁI ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN M
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP DƢƠNG VĂN PHƢƠNG NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG THUẬT TOÁN KHAI THÁC TỐI ĐA CÔNG SUẤT VÀ DUY TRÌ TRẠNG THÁI ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƢỚI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN Giáo viên hướng dẫn TS LÊ THỊ HUYỀN LINH THÁI NGUYÊN, NĂM 2023 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƢỜNG ĐẠI HỌC Độc lập - Tự do - Hạnh phúc *********************** KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP - LUẬN VĂN THẠC SỸ Người hướng dẫn: TS Lê Thị Huyền Linh Họ và tên học viên: Dƣơng Văn Phƣơng Cơ sở đào tạo: Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên Ngành đào tạo: Kỹ thuật điện Khoá học: Tên đề tài: Nghiên cứu xây dựng thuật toán khai thác tối đa công suất và duy trì trạng thái ổn định của hệ thống điện mặt trời nối lƣới PHÒNG ĐÀO TẠO NGƢỜI HƢỚNG DẪN HỌC VIÊN TS Lê Thị Huyền Linh Dƣơng Văn Phƣơng MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .iv LỜI CẢM ƠN .v DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ix MỞ ĐẦU .1 1 Tính cấp thiết của đề tài 1 2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 2 Ý nghĩa khoa học 2 Ý nghĩa thực tiễn 2 3 Mục tiêu nghiên cứu 2 4 Đối tƣợng nghiên cứu 3 5 Phƣơng pháp nghiên cứu 3 6 Tên đề tài 3 “Nghiên cứu xây dựng thuật toán khai thác tối đa công suất và duy trì trạng thái ổn định của hệ thống điện mặt trời nối lƣới‟‟ 3 7 Bố cục luận văn 3 CHƢƠNG 1 4 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI .4 1.1 Nguồn năng lƣợng mặt trời 4 1.2 Hệ thống điện năng lƣợng mặt trời 5 1.2.1 Hệ thống Điện mặt trời hòa lƣới 6 1.2.1.1 Nguyên lý hoạt động điện mặt trời hòa lƣới 6 1.2.1.2 Các cách thức mắc nối hệ thống điện mặt trời hòa lƣới 7 1.2.1.3 Các bƣớc thực hiện để tính chọn lắp đặt hệ thống điện mặt trời hòa lƣới .13 1.2.2 Hệ thống điện năng lƣợng mặt trời làm việc độc lập 16 1.2.3 Hệ thống điện mặt trời có dự trữ (loại hỗn hợp) .19 1.3 Phƣơng pháp khai thác năng lƣợng mặt trời 22 1.4 Phân tích các ƣu nhƣợc điểm khi sử dụng năng lƣợng mặt trời 22 1.4.1 Ƣu điểm của năng lƣợng mặt trời .23 1.4.2 Nhƣợc điểm của năng lƣợng mặt trời 23 1.5 Hƣớng nghiên cứu cho việc sử dụng Năng lƣợng mặt trời 24 1.6 Kết luận chƣơng 1 26 i CHƢƠNG 2 Nghiên cứu tìm hiểu cấu trúc hệ thống năng lƣợng mặt trời 29 2.1 Cấu trúc của hệ thống điện mặt trời nối lƣới 27 2.1.1 Sơ đồ khối hệ thống 27 2.1.2 Điều khiển trong hệ thống điện mặt trời nối lƣới 27 2.1.3 Mô hình toán và đặc tính làm việc của pin mặt trời 28 2.2 Nguyên lý của hệ thống điện năng lƣợng mặt trời nối lƣới 30 2.2.1 Pin mặt trời (PV-Photovoltaic) 31 2.2.2 Bộ đóng cắt mềm .33 2.2.3 Bộ biến đổi DC/DC hay bộ Boost Converter 33 2.2.4 Bộ nghịch lƣu DC/AC .37 2.2.5 Bộ lọc phía lƣới 38 2.2.6 Thiết bị điều khiển 39 2.3 Lý thuyết về hòa hệ thống điện mặt trời với lƣới .40 2.3.1 Các điều kiện hòa đồng bộ 41 2.3.1.1 Điều kiện về tần số 41 2.3.1.2 Điều kiện về điện áp .41 2.3.1.3 Điều kiện về pha 41 2.3.2 Đồng vị pha trong hai hệ thống lƣới 42 2.3.3 Điều khiển bộ biến đổi DC-DC .42 2.3.3.1 Mạch vòng điều khiển điện áp .42 2.3.3.2 Mạch vòng điều khiển dòng điện 43 2.3.4 Nghịch lƣu nối lƣới (Inverter) 43 2.3.5 Các phép chuyển đổi 44 2.3.5.1 Chuyển đổi hệ thống ba pha sang 2 pha .44 2.3.5.2 Chuyển đổi hệ thống một pha sang hai pha 46 2.3.6 Điều chế độ rộng xung (PWM - Pulse Width Modulation) 48 2.3.6.1 Điều chế độ rộng xung dựa trên sóng mang (CB-PWM) .48 2.3.6.2 Điều chế véc tơ không gian (SVM) .49 2.3.7 Điều khiển chuyển đổi DC-AC 50 2.3.7.1 Bộ điều khiển PI .51 2.3.7.2 Bộ điều khiển cộng hƣởng tỉ lệ (PR - Proportional Resonant) 52 2.3.7.3 Bộ điều khiển phản hồi trạng thái 52 2.4 Kết luận chƣơng 2 53 ii CHƢƠNG 3 Ứng dụng thuật toán khai thác tối đa công suất và duy trì trạng thái ổn định của hệ thống điện mặt trời nối lƣới .58 3.1 Mở đầu 54 3.2 Thuật toán dò điểm làm việc cực đại của modul pin mặt trời (PV) .54 3.2.1 Cơ sở của thuật toán 54 3.2.2 Thuật toán điện áp không đổi (CV - Constant Voltage) 56 3.2.3 Thuật toán xáo trộn và quan sát (P&O - Perturb and Observe) 56 3.2.4 Thuật toán độ dẫn gia tăng (INC - Inremental Conductance) 59 3.2.5 Thuật toán điện dung ký sinh (PC – Parasitic Capacitance) .61 3.3 Xây dựng và thử nghiệm hệ thống điện mặt trời nối lƣới 3 pha 62 3.3.1 Sơ đồ Nguyên lý hệ thống 62 a) Mạch lực 62 b) Mạch điều khiển 64 c) Thuật toán điều chế véc tơ không gian (SVM) .64 3.3.2 Sơ đồ phỏng .72 3.2.3 Kết quả mô phỏng .73 3.4 Kết luận chƣơng 3 74 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 iii LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Dƣơng Văn Phƣơng Học viên lớp cao học khóa 24 - Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa - Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Hiện đang công tác tại: Điện lực Yên Phong – Công ty Điện Lực Bắc Ninh Tôi xin cam đoan: Bản luận văn: “Nghiên cứu xây dựng thuật toán khai thác tối đa công suất và duy trì trạng thái ổn định của hệ thống điện mặt trời nối lƣới’’ do cô giáo TS Lê Thị Huyền Linh hƣớng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng Các số liệu, kết quả trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chƣa từng ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Nếu sai tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Bắc Ninh, Ngày 01 tháng 6 năm 2023 Tác giả luận văn Dƣơng Văn Phƣơng iv LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian nghiên cứu, đƣợc sự động viên, giúp đỡ và hƣớng dẫn tận tình của cô giáo TS Lê Thị Huyền Linh, luận văn với đề tài: “Nghiên cứu xây dựng thuật toán khai thác tối đa công suất và duy trì trạng thái ổn định của hệ thống điện mặt trời nối lƣới’’ đã hoàn thành Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến: Giáo viên hƣớng dẫn TS Lê Thị Huyền Linh đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn này Các học viên lớp cao học Kỹ thuật điện K24, các đồng nghiệp công tác tại công ty điện lực Bắc Ninh và gia đình ngƣời thân đã luôn quan tâm, tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ về công việc và thời gian để tôi hoàn thành đƣợc luận văn này Bắc Ninh, Ngày 01 tháng 6 năm 2023 Tác giả luận văn Dƣơng Văn Phƣơng v DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT TT Ký hiệu Chú thích 1 NLMT Năng lƣợng mặt trời 2 PMT Pin mặt trời 3 BĐK Bộ điều khiển 4 BBĐ Bộ biến đổi 5 BBT Bộ biến tần 6 DC-DC Bộ biến đổi một chiều- một chiểu 7 DC-AC Bộ biến đổi một chiều- xoay chiều 8 PV Tế bào quang điện 9 MPPT Maximum Power Point Tracking 10 PWM Pules- With- Modulation 11 CB- PWM Carrier Based Pulse With 12 ZSS Zero sequence signal 13 SVM Space vector Modulation 14 CC Current Control 15 VC Voltage Control 16 VSI Voltage Source Inverter 17 IN Cƣờng độ bức xạ mặt trời (w/m2) 18 UPV, IPV Điện áp và dòng điện của dàn pin mặt trời 19 Igc Dòng quang điện (A) 20 I0 Dòng bão hòa (A) 21 q Điện tích của điện tử; q= 1,6.10-19 (C) 22 K Hằng số Boltzman (J/K) 23 TC Nhiệt độ làm việc của tế bào quang điện (0K) 24 ID, UD Dòng điện (A), điện áp trên diode (V) 25 ISC (Short circuit current): Dòng điện ngắn mạch của PV 26 UOC Điện áp hở mạch của Pin mặt trời 27 G Bức xạ mặt trời (Kw/m2) vi 28 D Hệ số làm việc 29 Ton Thời gian khóa K mở 30 T Chu kỳ làm việc của khóa 31 fDC Tần số đóng cắt 32 IL1, IL2 Dòng điện của cuộn cảm L1, L2 33 UC1, UC2 Điện áp trên tụ C1, C2 34 tK Thời điểm lấy mẫu vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1 1: Biến thiên điện áp và số lƣợng panel mặt trời 11 Bảng 1 2: Các bƣớc tính chọn lắp đặt hệ thống điện mặt trời hòa lƣới 16 Bảng 3 1: Thông số lƣới điện 62 Bảng 3 2: Thông số Mạch DC-DC 63 Bảng 3 3: Thông số khối nghịch lƣu .64 Bảng 3 4: Xác định số sector 67 Bảng 3 5: Thời gian hoạt động của vector cơ bản cho các sector khác nhau 70 Bảng 3 6: Tính toán thời gian chuyển mạch 71 viii