tính toán dung lượng ắc quy và số lượng pin mặt trời

Mục Lục NHẬN XÉT : Chương I : đo đạc phụ tải công suất pin mặt trời : I Thông số phụ tải : a Phòng môn cung cấp điện (107B1) : b Phòng quản lý vườn ươm (phòng 08): Thông số cường độ xạ mặt trời : Chương : tính toán số lượng pin mặt trời, chọn dung lượng ắc quy: II Lựa chọn pin mặt trời : Lựa chọn ắc quy: Thuật toán tính toán số lượng pin mặt trời : Tính toán chi phí : 10 a Hệ thống pin mặt trời : 10 b Hệ thống ắc quy : 11 Lựa chọn dung lượng ắc quy số lượng pin mặt trời theo chi phí : 11 Chương ba : Mô hệ thống microgrid 12 III Bộ nguồn lượng mặt trời : 13 Bộ biến đổi DC-DC Buck - MPPT : 14 a cấu hình Buck : 14 b Thuật toán xác định điểm làm việc cực đại (MPPT) – P&O : 15 Bộ biến đổi DC-DC Boost - điều khiển trượt : 17 a cấu hình Boost : 17 b điều khiển trượt : 18 Bộ nghịch lưu áp : 20 NHẬN XÉT : …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………… I Chương I : đo đạc phụ tải công suất pin mặt trời : Thông số phụ tải : a Phòng môn cung cấp điện (107B1) : Việc đo lường thông số phụ tải tiếp cận theo hướng ghi nhận giá trị điện tiêu thụ đồng hồ điện (Fluke 345 PQ clamp meter) nơi khảo sát Các thiết bị điện liệt kê phòng môn cung cấp điện bao gồm : Thiết bị Đèn huỳnh quang Bóng đèn chữ U Điều hòa Máy tính Máy in Quạt thông gió Quạt tường Số lượng (cái) 11 1 1 Công suất (W) 30 10 750 110 250 50 60 Tổng công suất(W) 330 10 750 330 250 50 180 Số liệu đo đạc trung bình ngày làm việc bình thường: Giờ 00:00:23 01:00:23 02:00:23 03:00:23 04:00:23 05:00:23 06:00:23 07:00:23 08:00:23 09:00:23 10:00:15 11:00:15 12:00:15 13:00:15 14:00:15 15:00:15 16:00:15 17:00:23 U(V) 219.7 218.3 217.2 218.6 213.7 214.8 217 216.8 215.5 215.7 216.9 215.6 218.5 216 217 215.7 219.3 219.7 I(A) 0.52 0.5 0.51 0.51 0.5 0.49 0.49 0.5 8.81 8.87 8.59 7.22 6.44 5.86 0.36 0.44 0.39 0.48 P(W) 66 65 65 65 63 63 65 65 1752 1774 1710 1488 1367 1250 18 18 18 29 Q(VAr) -93 -88 -90 -90 -86 -85 -85 -87 735 719 741 461 321 196 -77 -94 -84 -101 S(VA) 114 110 111 112 107 107 108 109 1900 1915 1864 1558 1408 1266 79 96 87 106 PF 0.576 0.593 0.581 0.583 0.59 0.595 0.601 0.593 0.921 0.926 0.916 0.954 0.972 0.987 0.228 0.187 0.214 0.281 18:03:23 19:00:23 20:00:23 21:00:23 22:00:23 23:00:23 217.4 218.6 216.8 221 219.6 221.5 0.49 0.48 0.47 0.48 0.48 0.47 29 29 18 18 18 18 -102 -100 -101 -106 -103 -103 107 105 103 108 105 105 0.274 0.277 0.177 0.17 0.173 0.175 Đồ thị tiêu thụ công suất phụ tải : b Phòng quản lý vườn ươm (phòng 08): Các thiết bị điện liệt kê phòng môn cung cấp điện bao gồm : Thiết bị Công suât Số lượng Tổng công suất Đèn huỳnh quang 20 160 Máy lạnh 1100 1100 Máy tính 120 240 Số liệu ngày làm việc bình thường : Giờ 00:00:23 01:00:23 02:00:23 03:00:23 04:00:23 U(V) 227.5 227.6 229.6 230.6 230.8 I(A) 0.92 0.92 0.91 0.92 0.91 P(W) 139 139 139 142 139 Q(VAr) -155 -155 -156 -157 -155 S(VA) 210 210 210 214 210 PF 0.661 0.661 0.659 0.662 0.66 05:00:23 06:00:23 07:00:23 08:00:23 09:00:23 10:00:15 11:00:15 12:00:15 13:00:15 14:00:15 15:00:15 16:00:15 17:00:23 18:03:23 19:00:23 20:00:23 21:00:23 22:00:23 23:00:23 229.2 227.9 233.2 225.8 223.1 223.9 228.1 227.7 224.6 226.1 225.9 226.9 229.3 233.2 234.5 232.4 233.6 230.6 237.7 0.91 0.89 0.83 10.23 8.98 8.87 9.03 8.91 8.77 9.48 9.16 9.4 0.83 0.86 0.9 0.92 1.03 1.05 1.03 139 135 129 2001 1850 1822 1885 1852 1833 1972 1903 1960 131 139 144 144 164 164 164 -154 -153 -144 1155 774 796 829 829 723 843 815 843 -137 -146 -157 -158 -179 -180 -183 211 204 194 2311 2005 1988 2060 2030 1971 2145 2071 2134 191 203 214 214 243 244 246 0.66 0.662 0.664 0.865 0.921 0.915 0.914 0.912 0.929 0.918 0.918 0.917 0.687 0.683 0.675 0.673 0.673 0.671 0.667 Đồ thị tiêu thụ phụ tải ngày Thông số cường độ xạ mặt trời : Do việc đo lường thông số cường độ xạ đòi hỏi cần phải có dụng cụ , thiết bị chuyên dụng , khảo sát kĩ lưỡng cần có thời gian để ghi liệu cường độ xạ suốt năm Nhưng phạm vi luận văn tốt nghiệp , đáp ứng yêu cầu Do đó, toàn số liệu xạ mặt trời lấy từ liệu có sẵn đo lường kiểm chứng Số liệu lấy từ môn lượng , khảo sát theo suốt năm trường đại học Bách Khoa công suất pin mặt trời 140 120 công suất W/m2 100 80 60 40 20 267 533 799 1065 1331 1597 1863 2129 2395 2661 2927 3193 3459 3725 3991 4257 4523 4789 5055 5321 5587 5853 6119 6385 6651 6917 7183 7449 7715 7981 8247 8513 II Chương : tính toán số lượng pin mặt trời, chọn dung lượng ắc quy: Lựa chọn pin mặt trời : Pin mặt trời lựa chọn loại RNG-250D hãng RENOGY , pin đáp ứng tốt với yêu cầu kĩ thuật mà giá thành lại không đắt Các thông số kĩ thuật pin thể bảng sau : Tên sản phẩm RNG-250D Công suất cực đại STC 250W Điện áp MPP (Vmpp) 30.1V Dòng điện MPP (Impp) 8.32A Điện áp hở mạch (Voc) 37.5V Cường độ dòng điện nắng mạch (Isc) 8.87A Điện áp cực đại 600VDC Dòng định mức cầu chì 15A Nhiệt độ NOCT 47+/-2 Hệ số nhiệt Pmax -0.44%/ Hệ số nhiệt Voc -0.3%/ Hệ số nhiệt Isc 0.04%/ Lựa chọn ắc quy: Vì phụ tải phụ tải trường học có thời gian sử dụng ban đêm không nhiều, dụng thiết bị dòng khởi động lớn nên ta đặt ắc quy có số dự trữ t , công suất lưu điện lớn 1,5 lần tổng công suất tải Ta có tổng công suất tải khoảng : 3400W Do công suất lưu điện : 1,5x3400 = 5100 W Ta có dung lượng ắc quy : = 7285t Thuật toán tính toán số lượng pin mặt trời : Thuật toán hướng đến khả cung cấp cho tải cách tin cậy, đưa kết mối quan hệ số lượng pin mặt trời cần lắp đặt dung lượng ắc quy lưu trữ để đảm bảo cung cấp 100% lượng điện tải yêu cầu Giải thuật thể hai lưu đồ sau : Toàn thuật toán xác định số lượng pin mặt trời Trong : ES : lượng tích trữ ắc quy : công suất pin mặt trời : công suất tải tiêu thụ Emax, Emin : khã lưu trữ cực đại cực tiểu ac quy n : số pin mặt trời T : tổng số cung cấp Thuật toán cho phép ta lựa chọn dung lượng ắc quy cho trước để tính toán số lượng pin mặt trời phù hợp đủ để cung cấp đầy đủ cho tải điều kiện Sau số kết sau thực thuật toán với giá trị dung lượng ắc quy theo thời gian dự trữ khác T(giờ) E (kWh) n 7.285 14.57 21.855 29.14 36.425 43.71 50.995 21 18 16 15 14 14 13 58.3 65.6 10 72.85 13 13 12 Tính toán chi phí : a Hệ thống pin mặt trời : Ta tính toán chi phí lắp đặt, bão dưỡng hệ thống 1kW khoảng thời gian 20 năm Tấm pin chọn RNG-250D , có công suất 250W Do ta cần pin để đạt công suất 1kW Ta có công thức sau : = ( + + 20 ) Trong : : chi phí cho 1kW công suất pin mặt trời ($) : cống suất pin điều kiện tiêu chuẩn (kW) : giá pin mặt trời ($) : giá thiết bị phụ trợ (không tính inverter) ($) : chi phí bảo dưỡng năm ($/năm) Qua khảo sát giá bán thị trường : - giá pin : 300$ - giá phụ kiện (bệ đỡ, dây cáp, đầu nối) : 70$ -chi phí bảo trì năm : 30$ Từ ta có chi phí cho 1kW pin mặt trời 20 năm hoạt động sau : 10 = (300 + 70 + 20x30) = 3880 $ b Hệ thống ắc quy : Ta tính toán chi phí lắp đặt vận hành suốt trình sống tương ứng với 1kWh lưu trữ ắc quy Giả thiết ắc quy có thời gian vận hành 10 năm , nên tá có biểu thức chi phí hệ thống lưu trữ 20 năm sau : = 10 ( ) Trong : : chi phí cho 1kWh công suất đặt lưu trữ dự phòng ($) : giá 1kWh dung lượng ắc quy ($) : giá thiết bị phụ trợ ($) : chi phí trì bảo dưỡng năm ($/năm) Theo tham khảo từ thị trường lưu trữ dự phòng loại lead-acid tầm giá khoảng 60-80$ /kWh Do ta giả sử : - Giá kWh : = 65 $ - Giá phụ kiện : = 15 $ - Chi phí bảo trì : =5$ Từ ta có chi phí cho 1kWh suốt 20 năm ắc quy : = 10(65+15+2x5) = 900 $ Lựa chọn dung lượng ắc quy số lượng pin mặt trời theo chi phí : Từ tính toán giả thuyết ta có kiện sau : - Chi phí cho 1kWh pin mặt trời ắc quy : = 3880 $ ; = 900 $ = 0.25 kW - Thời gian hoạt động hệ thống : 20 năm Từ , chi phí toàn hệ thống : C= + = + - Công suất pin mặt trời : 11 Kết hợp với kết tính toán số lượng pin mặt trời dung lượng lưu trữ ắc quy , ta có bảng chi phí sau : T(hour) E 7.285 (kWh) n 21 cost 14.57 21.855 29.14 36.425 50.995 10 72.85 18 16 15 14 13 12 26926 30573 35189.5 40776 46362.5 58505.5 77205 Kết luận : Với tải đo tải sử dụng trường học, chủ yếu hoạt động vào bàn ngày mà có pin mặt trời cung cấp đủ, nên ta chọn số lưu trữ tiếng vào ban đêm Tức ắc quy có dung lượng khoảng 30kWh 15 pin mặt trời III Chương ba : Mô hệ thống microgrid Hệ thống microgrid khuôn khổ luận văn bảo hai thành phần : - Nguồn cung cấp : pin mặt trời - Các biến đổi DC-DC bao gồm Buck Buck-Boost để nạp xả cho ắc quy - Bộ inverter để cấp cho tải AC Hệ thống có cấu sau : 12 Bộ nguồn lượng mặt trời : - Với 15 pin chọn cách bố trí nhánh song song, nhánh nối tiếp pin - Đặc tính điện áp , dòng điện công suất hệ thống pin mặt trời : 13 Ta nhận thấy điểm công suất cực đại điều kiện tiêu chuẩn pin mặt trời xấp xỉ 30.2V Với cấu hình chọn ta có áp ngõ 90.11V dòng ngõ 40.08 A Với điện áp ngõ Buck khoảng 48-52V , tùy thuộc SOC ắc quy Khi điện áp ngõ vào có giá trị khoảng 80-104V, tương ứng với cấu hình nối tiếp pin nói Bộ biến đổi DC-DC Buck - MPPT : a cấu hình Buck : Ta cần nâng điện áp đầu pin mặt trời vào khoảng 92 VDC xuống 48VDC để cung cấp trực tiếp cho ắc quy, đồng thời đóng cắt điều khiển để pin mặt trời hoạt động điểm MPP Do , lựa chọn Buck có cấu hình đơn giản đáp ứng tốt yêu cầu đặt Ta phân tích nguyên lý hoạt động biến đổi DC-DC Buck với giả thiết sau : mạch vận hành xác lập, dòng qua cuộn kháng liên tục, giá trị tụ lớn, chu kì đóng cắt T với thời gian đóng DT, thời gian ngắt (1-D)T Khi ta có : - Quan hệ điện vào ngõ vào ngõ : - Để dòng qua L liên tục : = xD 14 = - Giá trị tụ C ảnh hưởng đến độ nhấp nhô theo công thức: = Dựa cấu trúc lý thuyết ta có mô hình mô simulink : b Thuật toán xác định điểm làm việc cực đại (MPPT) – P&O : Đây phương pháp đơn giản sử dụng thông dụng nhờ đơn giản thuật toán việc thực dễ dàng Thuật toán xem xét tăng, giảm điện áp theo chu kỳ để tìm điểm làm việc có công suất lớn 15 Nếu biến thiên điện áp làm công suất tăng lên biến thiên giữ nguyên chiều hướng tăng giảm Ngược lại, biến thiên làm côngsuấtgiảm xuống biến thiên có chiều hướng thay đổi ngược lại Nhược điểm phương pháp không tìm xác điểm làmviệc có công suất lớn điều kiện thời tiết thay đổi Đặc điểm phương pháp phương pháp có cấu trúc đơn giản nhất dễ thực nhất, trạng thái ổn định điểm làm việc dao động xung quanh điểm MPP, gây hao hụt phần lượng Phương pháp không phù hợp với điều kiện thời tiết thay đổi thường xuyên đột ngột 16 Bộ biến đổi DC-DC Boost - điều khiển trượt : a cấu hình Boost : Boost Converter biến đổi nguồn DC-DC có điện áp đầu lớn điện áp đầu vào Nó chứa hai chuyển mạch bán dẫn (một diode transistor) phần tử tích lũy lượng, tụ điện, cuộn dây hai Ta phân tích nguyên lý hoạt động biến đổi DC-DC Buck với giả thiết sau : mạch vận hành xác lập, dòng qua cuộn kháng liên tục, giá trị tụ lớn, chu kì đóng cắt T với thời gian đóng DT, thời gian ngắt (1-D)T Khi ta có : - Quan hệ điện vào ngõ vào ngõ : = - Để dòng qua L liên tục : = - Giá trị tụ C ảnh hưởng đến độ nhấp nhô theo công thức : = Dựa cấu trúc ta có mô simulink : 17 b điều khiển trượt : Áp dụng luật Kirchoff cho hai vị trí chuyển mạch sơ đồ ta thu hệ phương trình vi phân tổng quát mô tả mạch: { Q= √ Với cách đặt : = √ i u=1= d = √ 18 Ta có hệ phương trình vi phân mô tả mạch biến , : ̇ { ̇ Mục tiêu điều khiển điện áp biến đổi đạt giá trị để tiếp cận với tín hiệu mẫu cho trước Điện áp mong muốn đạt V*d Khi giá trị cân số, đạo hàm theo thời gian biến trạng thái Vì vậy, đầu vào điều khiển tương đương phải số, nghĩa =U=constant, ta có giá trị cân bằng: = Với : = Khi : = => , = , = , U= = Với việc phân tích điều khiển trực tiếp với mặt trượt h(x) = nên ta chọn điều khiển gián tiếp qua mặt trượt h(x) = Từ ta có luật đóng mở u : - không ổn định u={ Hay : u= [ ] 19 Bộ nghịch lưu áp : Để cung cấp lượng cho tải, hệ thống cần có nghịch lưu, công suất thiết kế không lớn (10 kW) ta sử dụng nghịch lưu áp pha Cấu trúc nghịch lưu trình bày theo hình dưới: Điện áp chiều ngõ vào chuyển thành xoay chiều nhờ module cầu H tạo mức điện áp âm Các khóa công suất S1, S2 S3, S4 kích đối nghịch Khi S1 S4 kích đóng, điện áp ngõ dương Ngược lại S2 S3 kích đóng, điện áp ngõ âm Khi S1 S3 S2 S4 kích đóng, điện áp ngõ Từ ta có bảng điện áp ngõ inverter tương ứng với trạng thái đóng cắt (trạng thái “1” tương ứng với khóa đóng “0” tương ứng với khóa ngắt) 20 Output voltage (V) 0 - S1 1 0 Switching state S2 S3 0 1 1 S4 1 21 [...]... theo chi phí : Từ các tính toán và giả thuyết ta có các dữ kiện sau : - Chi phí cho mỗi 1kWh của pin mặt trời và ắc quy lần lượt là : = 3880 $ ; = 900 $ = 0.25 kW - Thời gian hoạt động của hệ thống : 20 năm Từ đó , chi phí của toàn bộ hệ thống là : C= + = + - Công suất mỗi tấm pin mặt trời : 11 Kết hợp với các kết quả tính toán số lượng pin mặt trời và dung lượng lưu trữ của ắc quy , ta có bảng chi... hoạt động vào bàn ngày khi mà có pin mặt trời cung cấp đủ, nên ta chọn số giờ lưu trữ là 4 tiếng vào ban đêm Tức ắc quy có dung lượng khoảng 30kWh và 15 tấm pin mặt trời III Chương ba : Mô phỏng hệ thống microgrid Hệ thống microgrid trong khuôn khổ luận văn bảo 3 hai thành phần chính : - Nguồn cung cấp : pin mặt trời - Các bộ biến đổi DC-DC bao gồm bộ Buck và bộ Buck-Boost để nạp xả cho ắc quy - Bộ... 20x30) = 3880 $ b Hệ thống ắc quy : Ta sẽ tính toán chi phí lắp đặt và vận hành cũng trong suốt quá trình sống tương ứng với 1kWh lưu trữ của bộ ắc quy Giả thiết bộ ắc quy có thời gian vận hành là 10 năm , nên tá có biểu thức chi phí của hệ thống lưu trữ trong 20 năm như sau : = 10 ( ) Trong đó : : chi phí cho 1kWh công suất đặt bộ lưu trữ dự phòng ($) : giá của 1kWh dung lượng ắc quy ($) : giá các thiết... hình cơ bản như sau : 12 1 Bộ nguồn năng lượng mặt trời : - Với 15 tấm pin chọn cách bố trí 5 nhánh song song, mỗi nhánh nối tiếp 3 tấm pin - Đặc tính điện áp , dòng điện và công suất của hệ thống pin mặt trời : 13 Ta nhận thấy tại điểm công suất cực đại ở điều kiện tiêu chuẩn của tấm pin mặt trời là xấp xỉ 30.2V Với cấu hình đã chọn ta có áp ngõ ra là 90.11V và dòng ngõ ra là 40.08 A Với điện áp ngõ... chi phí duy trì và bảo dưỡng mỗi năm ($/năm) Theo tham khảo từ thị trường thì bộ lưu trữ dự phòng loại lead-acid trong tầm giá khoảng 60-80$ /kWh Do đó ta giả sử : - Giá của mỗi kWh : = 65 $ - Giá của phụ kiện : = 15 $ - Chi phí bảo trì : =5$ Từ đó ta có chi phí cho mỗi 1kWh trong suốt 20 năm của một bộ ắc quy là : = 10(65+15+2x5) = 900 $ 5 Lựa chọn dung lượng ắc quy và số lượng pin mặt trời theo chi... là khoảng 48-52V , tùy thuộc SOC của ắc quy Khi đó điện áp ngõ vào có giá trị trong khoảng 80-104V, tương ứng với cấu hình nối tiếp 3 tấm pin như đã nói ở trên 2 Bộ biến đổi DC-DC Buck - MPPT : a cấu hình bộ Buck : Ta cần nâng điện áp đầu ra của pin mặt trời vào khoảng 92 VDC xuống 48VDC để cung cấp trực tiếp cho ắc quy, đồng thời đóng cắt bộ điều khiển để pin mặt trời hoạt động ở điểm MPP Do đó , lựa... dẫn (một diode và một transistor) và ít nhất một phần tử tích lũy năng lượng, một tụ điện, một cuộn dây hoặc cả hai Ta phân tích nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi DC-DC Buck với các giả thiết sau : mạch vận hành ở xác lập, dòng qua cuộn kháng liên tục, giá trị tụ lớn, chu kì đóng cắt T với thời gian đóng là DT, thời gian ngắt là (1-D)T Khi đó ta có : - Quan hệ giữa điện vào ngõ vào và ngõ ra : = -... độ nhấp nhô theo công thức: = Dựa trên cấu trúc trên lý thuyết ta có mô hình mô phỏng trên simulink : b Thuật toán xác định điểm làm việc cực đại (MPPT) – P&O : Đây là một phương pháp đơn giản và được sử dụng thông dụng nhất nhờ sự đơn giản trong thuật toán và việc thực hiện dễ dàng Thuật toán này xem xét sự tăng, giảm điện áp theo chu kỳ để tìm được điểm làm việc có công suất lớn nhất 15 Nếu sự biến... đạt V*d Khi đó các giá trị cân bằng là các hằng số, đạo hàm theo thời gian của các biến trạng thái bằng 0 Vì vậy, đầu vào điều khiển tương đương cũng phải là hằng số, nghĩa là =U=constant, ta có các giá trị cân bằng: = Với : = Khi đó : = => , = , = , U= = Với việc phân tích điều khiển trực tiếp với mặt trượt h(x) = nên ta chọn điều khiển gián tiếp qua mặt trượt h(x) = Từ đó ta có luật đóng mở u : -... Do đó , lựa chọn bộ Buck vì có cấu hình đơn giản và đáp ứng tốt yêu cầu đặt ra Ta phân tích nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi DC-DC Buck với các giả thiết sau : mạch vận hành ở xác lập, dòng qua cuộn kháng liên tục, giá trị tụ lớn, chu kì đóng cắt T với thời gian đóng là DT, thời gian ngắt là (1-D)T Khi đó ta có : - Quan hệ giữa điện vào ngõ vào và ngõ ra : - Để dòng qua L liên tục thì : = xD 14 ... 7715 7981 8247 8513 II Chương : tính toán số lượng pin mặt trời, chọn dung lượng ắc quy: Lựa chọn pin mặt trời : Pin mặt trời lựa chọn loại RNG-250D hãng RENOGY , pin đáp ứng tốt với yêu cầu kĩ... = 7285t Thuật toán tính toán số lượng pin mặt trời : Thuật toán hướng đến khả cung cấp cho tải cách tin cậy, đưa kết mối quan hệ số lượng pin mặt trời cần lắp đặt dung lượng ắc quy lưu trữ để... lưu trữ cực đại cực tiểu ac quy n : số pin mặt trời T : tổng số cung cấp Thuật toán cho phép ta lựa chọn dung lượng ắc quy cho trước để tính toán số lượng pin mặt trời phù hợp đủ để cung cấp