Điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ pin quang điện mặt trời có xét đến hiện tượng bóng râm

i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc TP. Hồ Chí Minh, ngày …… tháng …… năm …… BẢN CAM ĐOAN Họ và tên học viên: Nguyễn Ngọc Thoại Ngày sinh: 07/4/1977 Nơi sinh: TP.HCM Trúng tuyển đầu vào năm: 2012 Là tác giả luận văn: Điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ pin quang điện mặt trời có xét đến hiện tượng bóng râm Chuyên ngành:Kỹ thuật điện Mã ngành: 605202202 Bảo vệ ngày: 18 Tháng 01 năm 2014 Điểm bảo vệ luận văn: 6,9 Tôi cam đoan chỉnh sửa nội dung luận văn thạc sĩ với đề tài trên theo góp ý của Hội đồng đánh giá luận văn Thạc sĩ. Các nội dung đã chỉnh sửa: Trình bày lý do chọn giải thuật Cần có sự so sánh kết quả giữa giải thuật đề xuất với kết quả khi không có sử dụng giải thuật được đề xuất Người cam đoan Cán bộ Hướng dẫn (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên) Nguyễn Ngọc Thoại ii LỜI CÁM ƠN Trước tiên, xin chân thành cảm ơn sự quan tâm hỗ trợ, tạo điều kiện và hết lòng động viên về tinh thần lẫn vật chất của các thành viên trong gia đình trong suốt thời gian qua. Đồng thời cảm ơn Thầy Huỳnh Châu Duy đã hướng dẫn, quan tâm và tạo thuận lợi cho bản thân học viên trong suốt thời gian thực hiện đề tài tốt nghiệp này. Bên cạnh đó, xin chuyển lời cảm ơn đến Ban Giám đốc Công ty Điện lực Gia Định, nơi học viên đang công tác đã tạo điều kiện về thời gian cũng như các điều kiện thuận lợi khác để học viên hoàn thành chương trình cao học này. Ngoài ra học viên cũng xin gởi lời cảm ơn đến tất cả những Thầy Cô đã trực tiếp giảng dạy trong suốt khóa học, những đồng nghiệp đã chia sẽ khó khăn, những người bạn đã quan tâm, động viên và luôn giữ mối liên lạc tốt trong quá trình học tập và rèn luyện vừa qua. Học viên thực hiện luận văn Nguyễn Ngọc Thoại iii TÓM TẮT Năng lượng là rất cần thiết cho cuộc sống của chúng tôi. Gần đây, nhu cầu sử dụng năng lượng đã được tăng lên rất nhiều trên toàn thế giới. Điều này đã dẫn đến một cuộc khủng hoảng về năng lượng và biến đổi khí hậu. Các nỗ lực nghiên cứu trong việc hướng tới việc khai thác và sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo có thể giải quyết được các vấn đề này. So với các nguồn năng lượng nhiên liệu hóa thạch truyền thống, các nguồn năng lượng tái tạo có những ưu điểm chủ yếu sau đây: bền vững, không cạn kiệt, miễn phí và không gây ô nhiễm môi trường. Có thể dễ dàng hiểu được rằng năng lượng tái tạo là nguồn năng lượng được tạo ra từ các nguồn tài nguyên thiên nhiên mà có thể được tái tạo như bức xạ mặt trời, gió, thủy triều, sóng biển, v. v . . . Trong số các nguồn năng lượng này, năng lượng mặt trời là một trong những nguồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất và được sử dụng rộng rãi. Năng lượng mặt trời được sử dụng phổ biến để cung cấp nhiệt, ánh sáng và điện. Một trong các công nghệ quan trọng của năng lượng mặt trời là pin quang điện (Photovoltaic, PV) mà chuyển đổi bức xạ trực tiếp thành điện năng bởi hiệu ứng quang điện. Tuy nhiên, bản thân quá trình chuyển đổi năng lượng điện này lại có hai vấn đề chính cần được giải quyết. Thứ nhất, hiệu suất chuyển đổi của các tế bào pin quang điện là rất thấp (9 % đến 17 %), đặc biệt là trong các điều kiện bức xạ thấp. Thứ hai, điện năng được phát ra bởi pin quang điện thay đổi liên tục với các điều kiện thời tiết khác nhau. Ngoài ra, đặc tính VI của pin quang điện là phi tuyến tính và thay đổi theo bức xạ và nhiệt độ. Nhưng tổng quát cho thấy, luôn luôn tồn tại một điểm duy nhất trên các đường cong VI hoặc VP mà được gọi là điểm công suất cực đại (Maximum power point, MPP). Điều này có nghĩa rằng hệ thống pin quang điện sẽ hoạt động với hiệu suất tối đa và tạo ra một công suất ngõ ra tối đa. Điểm công suất cực đại không được biết trước trên các đường cong VI hoặc VP, nhưng nó có thể được xác định bởi các thuật toán tìm kiếm mà có thể có các ưu và nhược điểm khác nhau liên quan đến tính đơn giản, tốc độ hội tụ, thêm các phần cứng hỗ trợ và chi phí thực hiện. Luận văn này trình bày thuật toán P&O để tìm kiếm các điểm công suất cực đại trên đặc tính VI của hệ pin quang điện, đặc biệt xét đến các ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm. iv ABSTRACT Energy is absolutely essential for our life. Recently, energy demand has greatly increased all over the world. This has resulted in an energy crisis and climate change. The research efforts in moving towards renewable energy can solve these problems. Compared to conventional fossil fuel energy sources, renewable energy sources have the following major advantages: they are sustainable, never going to run out, free and non-polluting. Renewable energy is the energy generated from renewable natural resources such as solar irradiation, wind, tides, wave, etc. Amongst these sources, solar energy is one of the most important renewable sources and is widely used. Solar energy is popularly used to provide heat, light and electricity. One of the important technologies of solar energy is photovoltaic (PV) which converts irradiation directly to electricity by the photovoltaic effect. However, the solar PV generation panels have two main problems. Firstly, the conversion efficiency of solar PV cells is very low (9% to 17%), especially under low irradiation conditions. Secondly, the amount of electric power which is generated by solar PV panels changes continuously with various weather conditions. In addition, the V-I characteristic of the solar cell is non-linear and varies with irradiation and temperature. But in general, there is always a unique point on the V-I or V-P curve which is called the Maximum Power Point (MPP). This means that the solar PV system will operate with maximum efficiency and produce a maximum output power. The MPP is not known on the V-I or V-P curve, but it can be located by search algorithms which can have several advantages and disadvantages concerned with simplicity, convergence speed, extra hardware and cost. This thesis presents the P&O algorithm for searching a MPP on the V-I characteristic of the solar PV system, especially under partial shading conditions. v MỤC LỤC Bản cam đoan i Lời cảm ơn ii Tóm tắt iii Abstract iv Mục lục v Chương 1: Giới thiệu 1.1 Giới thiệu 1 1.2 Mục tiêu nghiên cứu 2 1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3 1.4 Nội dung nghiên cứu 3 1.5 Bố cục của luận văn 3 Chương 2 : Tổng quan tình hình nghiên cứu 2.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nước 5 2.2 Tổng quan tình hình phát triển năng lượng mặt trời tại Việt Nam 7 Chương 3: Pin quang điện 3.1 Giới thiệu 11 3.2 Sơ đồ thay thế đơn giản của PV 15 3.3 Sơ đồ thay thế của PV có xét đến các tổn hao 16 3.4 Modul PV 17 3.5 Mảng PV 18 3.5.1 Nối nối tiếp nhiều modul PV 18 3.5.2 Nối song song nhiều modul PV 19 3.5.3 Nối hổn hợp nhiều modul PV . 19 3.6 Phân loại hệ thống PV 20 3.6.1 Hệ thống PV kết nối lưới điện 20 3.6.2 Hệ thống PV độc lập 21 3.7 Các ảnh hưởng đến PV 22 3.7.1 Ảnh hưởng của cường độ chiếu sáng 22 3.7.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ 22 3.7.3 Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm 23 vi Chương 4: Điều khiển bám điểm công suất cực đại cho hệ pin quang điện 4.1 Giới thiệu 31 4.2 Bộ biến đổi DC/DC 33 4.2.1 Bộ biến đổi Buck 33 4.2.2 Bộ biến đổi Boost 36 4.2.3 Bộ biến đổi Buck – Boost 37 4.3 Điều khiển bộ biến đổi DC/DC 38 4.3.1 Điều khiển điện áp hồi tiếp 38 4.3.2 Điều khiển dòng điện hồi tiếp 39 4.4 Thuật toán xác định điểm công suất cực đại. 40 4.4.1. Thuật toán Perturbation & Observation (P&O) 40 4.4.2. Thuật toán Incremental Conductance (IC) 43 4.4.3 Thuật toán điện áp không đổi 45 4.4.4 Thuật toán dòng điện ngắn mạch 46 Chương 5 : Kết quả mô phỏng 5.1 Giới thiệu 48 5.2 Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống pin quang điện 48 5.3 Kết quả mô phỏng cho một array pin quang điện 53 5.3.1 Trường hợp không bị bóng râm 53 5.3.2 Trường hợp bị bóng râm 56 5.3.2.1 Trường hợp 1 56 5.3.2.2 Trường hợp 2 60 5.3.2.3 Trường hợp 3 63 5.3.2.4 Trường hợp 4 66 5.4 Kết luận 69 Chương 6 : Kết luận và hướng phát triển tương lai 6.1 Kết luận 70 6.2 Hướng phát triển tương lai 70 Tài liệu tham khảo 72 vii Danh mục các từ viết tắt P&O: Perturbation & Observation IC: Incremental Conductance algorithm PV: Photovoltaic kWp: Kilowatt peak MPP: Maximum Power Point MPPT: Maximum Power Point Tracking PWM: Pulse Width Modulation V-I: Voltage Amper viii Danh mục các bảng Bảng 2.1 Tiềm năng năng lượng mặt trời tại Việt Nam 7 Bảng 3.1 Bảng phân loại tuần hoàn trích lược với tinh thể Silicon thuộc nhóm IV 13 ix Danh mục các hình Hình 3.1 Phổ năng lượng mặt trời 12 Hình 3.2 Bản đồ bức xạ mặt trời trung bình toàn cầu. 12 Hình 3.3 Bản đồ nhiệt độ trung bình toàn cầu 13 Hình 3.4 Nguyên tắc chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện của PV 14 Hình 3.5 Mô hình đơn giản của PV 14 Hình 3.6 Sơ đồ thay thế đơn giản của PV 15 Hình 3.7 Các tham số quan trọng của PV: Dòng điện ngắn mạch I sc và điện áp hở mạch V oc 15 Hình 3.8 Mô hình thay thế PV có xét đến các tổn hao 16 Hình 3.9 Đặc tính PV có xét đến các ảnh hưởng R s và R p 17 Hình 3.10 Modul PV 17 Hình 3.11 Đặc tính của modul PV 18 Hình 3.12 Các modul PV được kết hợp nối tiếp với nhau 18 Hình 3.13 Các modul PV được kết hợp song song với nhau 19 Hình 3.14 Các modul PV được kết hợp hổn hợp với nhau 20 Hình 3.15 Hệ thống PV kết nối lưới điện 21 Hình 3.16 Hệ thống PV độc lập 21 Hình 3.17 Đặc tuyến V-I của PV với các cường độ chiếu sáng khác nhau và nhiệt độ PV không đổi, 25 o C 22 Hình 3.18 Đặc tuyến V-I của PV với các nhiệt độ khác nhau và cường độ chiếu sáng không đổi 1 kW/m 2 23 Hình 3.19 Module PV với n PV trong trường hợp modul không bị che khuất 23 Hình 3.20 Module PV với n PV trong trường hợp modul bị che khuất một phần 24 Hình 3.21 Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm đối với module PV 25 Hình 3.22 Module PV với nhiều PV bị che khuất 25 Hình 3.23 Module PV sử dụng diode bypass 26 Hình 3.24 Đặc tính của PV trong trường hợp sử dụng diode bypass 26 Hình 3.25 Đánh giá so sánh giữa các trường hợp có và không có diode bypass 27 x Hình 3.26 Các đặc tính của một mảng PV khi không có bóng râm 29 Hình 3.27 Các đặc tính của một mảng PV trong điều kiện có bóng râm 30 Hình 4.1 Các đặc tính phi tuyến của PV 32 Hình 4.2 Đặc tính V-I của PV với các cường độ bức xạ khác nhau 32 Hình 4.3 Hệ thống bám điểm công suất cực đại 33 Hình 4.4 Bộ giảm áp Buck 34 Hình 4.5 Bộ tăng áp Boost 36 Hình 4.6 Bộ biến đổi Buck – Boost 37 Hình 4.7 Sơ đồ điều khiển điện áp hồi tiếp 39 Hình 4.8 Sơ đồ điều khiển dòng điện hồi tiếp 39 Hình 4.9 Lưu đồ thuật toán P&O 41 Hình 4.10 Sự phân kỳ của thuật toán P&O khi cường độ bức xạ thay đổi 43 Hình 4.11 Thuật toán IC 43 Hình 4.12 Lưu đồ thuật toán IC 45 Hình 5.1 Cấu hình của mảng PV cần mô phỏng 48 Hình 5.2 Một module gồm 4 x 6 cell 49 Hình 5.3 Đặc tính V-I của module RTL-CS 90 50 Hình 5.4 Đặc tính V-P của module RTL-CS 90 50 Hình 5.5 Sơ đồ mô phỏng cho một array pin quang điện 51 Hình 5.6 Array pin quang điện có xét đến hiệu ứng bóng râm 52 Hình 5.7 Đặc tuyến V-I của array pin quang điện trong trường hợp không bị bóng râm 53 Hình 5.8 Đặc tuyến V-P của array pin quang điện trong trường hợp không bị bóng râm 54 Hình 5.9 Công suất thu được của hệ pin quang điện trong trường hợp bỏ qua hiện tượng bóng râm 54 Hình 5.10 Điện áp ngõ ra của hệ pin quang điện trong trường hợp bỏ qua hiện tượng bóng râm 55 Hình 5.11 Cường độ dòng điện ngõ ra của hệ pin quang điện trong trường hợp bỏ qua hiện tượng bóng râm 55 Hình 5.12 Array pin quang điện bị bóng râm tại Module 19 56 Hình 5.13 Đặc tuyến V-I xét đến hiệu ứng bóng râm, trường hợp 1 56 [...]... phỏng điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ pin quang điện mặt trời có xét đến hiện tượng bóng râm để đảm bảo công suất ngõ ra là lớn nhất Khảo sát các đường đặc tính V-I , V-P và điều khiển để bám điểm công suất cực đại của hệ pin quang điện mặt trời có xét đến hiện tượng bóng râm 3 Thuật toán P&O (Perturbation and Observation) là một trong các thuật toán cho phép xác định điểm công suất cực đại. .. tìm điểm công suất cực đại của hệ pin quang điện - Trong điều kiện có bóng râm, khảo sát ảnh hưởng của hiệu ứng bóng râm đến các đặc tính V-I, V-P và tìm điểm công suất cực đại toàn cục của hệ thống pin quang điện - Trình bày và mô phỏng các thuật toán tìm điểm công suất cực đại cho hệ thống pin quang điện trong trường hợp không có và có xét đến hiện tượng bóng râm - So sánh trường hợp không có bóng râm. .. Maximum Power Point, GMPP) của hệ thống pin quang điện có xét đến hiện tượng bóng râm - Luận văn bỏ qua các ảnh hưởng khác mà có thể ảnh hưởng đến hiệu quả khai thác của hệ thống pin quang điện 1.4 Nội dung nghiên cứu: - Tiến hành mô phỏng hệ thống điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ pin quang điện mặt trời có xét đến hiện tượng bóng râm - Trong điều kiện không có bóng râm, khảo sát các đường đặc... lượng này Giải pháp Điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ pin quang điện mặt trời có xét đến hiện tượng bóng râm cũng không nằm ngoài mục tiêu chung đó, nhằm cung cấp công suất điện tối đa trong mọi điều kiện môi trường Đặc biệt, hiện tượng bóng râm cũng là một trong các hiện tượng mà sẽ được nghiên cứu và xét đến trong luận văn trong quá trình điều khiển bám điểm công suất cực đại 1.2 Mục tiêu... Đặc tuyến V-P xét đến hiệu ứng bóng râm, trường hợp 1 58 Hình 5.15 Công suất thu được của hệ pin quang điện, trường hợp 1 58 Hình 5.16 Điện áp ngõ ra của hệ pin quang điện, trường hợp 1 59 Hình 5.17 Cường độ dòng điện của hệ pin quang điện, trường hợp 1 59 Hình 5.18 Array pin quang điện bị bóng râm tại Module 13, 19 và 20 60 Hình 5.19 Đặc tuyến V-I xét đến hiệu ứng bóng râm, trường hợp... V-P xét đến hiệu ứng bóng râm, trường hợp 2 61 Hình 5.21 Công suất thu được của hệ pin quang điện, trường hợp 2 61 Hình 5.22 Điện áp ngõ ra của hệ pin quang điện, trường hợp 2 62 Hình 5.23 Cường độ dòng điện ngõ ra của hệ pin quang điện, trường hợp 2 62 Hình 5.24 Array pin quang điện bị bóng râm tại Module 7, 13, 14, 19, 20 và 21 63 Hình 5.25 Đặc tuyến V-I xét đến hiệu ứng bóng râm, ... V-P xét đến hiệu ứng bóng râm, trường hợp 3 64 Hình 5.27 Công suất thu được của hệ pin quang điện, trường hợp 3 64 Hình 5.28 Điện áp ngõ ra của hệ pin quang điện, trường hợp 3 65 Hình 5.29 Cường độ dòng điện ngõ ra của hệ pin quang điện, trường hợp 3 65 Hình 5.30 Array pin quang điện bị bóng râm tại Module 1, 7, 8, 13, 14, 15, 19, 20, 21 và 22 66 Hình 5.31 Đặc tuyến V-I xét đến. .. định điểm công suất cực đại trong luận văn này 1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: - Đối tượng nghiên cứu của đề tài là một hệ thống pin quang điện mặt trời bao gồm nhiều module với mỗi module có nhiều tế bào pin quang điện được kết nối với nhau Tải của hệ thống pin quang điện là tải thuần trở - Phạm vi nghiên cứu của đề tài là tìm điểm công suất cực đại toàn cục (Global Maximum Power Point, GMPP) của. .. giá trị công suất cực đại nhanh hơn thuật toán P&O Với mục tiêu xét các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của pin quang điện như sự thay đổi của các điều kiện nhiệt độ, bức xạ mặt trời hoặc đặc biệt là hiện tưởng bóng râm Một hiện tượng mà pin quang điện bị che khuất bởi một đám mây thoáng qua, một tòa nhà cao tầng, , các mô phỏng và thực nghiệm cho hệ thống pin quang điện dưới điều kiện bóng râm đã... tuyến V-I xét đến hiệu ứng bóng râm, trường hợp 4 66 Hình 5.32 Đặc tuyến V-P xét đến hiệu ứng bóng râm, trường hợp 4 67 Hình 5.33 Công suất thu được của hệ pin quang điện, trường hợp 4 67 Hình 5.34 Điện áp ngõ ra của hệ pin quang điện, trường hợp 4 68 Hình 5.35 Cường độ dòng điện ngõ ra của hệ pin quang điện, trường hợp 4 68 1 Chương 1 GIỚI THIỆU 1.1 Giới thiệu Có thể dễ dàng nhận ra rằng . công suất cực đại của hệ pin quang điện mặt trời có xét đến hiện tượng bóng râm để đảm bảo công suất ngõ ra là lớn nhất. Khảo sát các đường đặc tính V-I , V-P và điều khiển để bám điểm công suất. văn: Điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ pin quang điện mặt trời có xét đến hiện tượng bóng râm Chuyên ngành:Kỹ thuật điện Mã ngành: 605202202 Bảo vệ ngày: 18 Tháng 01 năm 2014 Điểm. hưởng đến hiệu quả khai thác của hệ thống pin quang điện. 1.4 Nội dung nghiên cứu: - Tiến hành mô phỏng hệ thống điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ pin quang điện mặt trời có xét