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

Các thiết bị điện được liệt kê trong phòng bộ môn cung cấp điện bao gồm : Thiết bị Công suất W Số lượng cái Tổng công suấtW Số liệu đo đạc trung bình trong một ngày làm việc bình thường:

Mục Lục

NHẬN XÉT : 2

I Chương I : đo đạc phụ tải và công suất pin mặt trời : 3

1 Thông số phụ tải : 3

a Phòng bộ môn cung cấp điện (107B1) : 3

b Phòng quản lý vườn ươm (phòng 08): 4

2 Thông số về cường độ bức xạ mặt trời : 5

II Chương 2 : tính toán số lượng pin mặt trời, chọn dung lượng ắc quy: 6

1 Lựa chọn pin mặt trời : 6

2 Lựa chọn ắc quy: 7

3 Thuật toán tính toán số lượng pin mặt trời : 8

4 Tính toán chi phí : 10

a Hệ thống pin mặt trời : 10

b Hệ thống ắc quy : 11

5 Lựa chọn dung lượng ắc quy và số lượng pin mặt trời theo chi phí : 11

III Chương ba : Mô phỏng hệ thống microgrid 12

1 Bộ nguồn năng lượng mặt trời : 13

2 Bộ biến đổi DC-DC Buck - MPPT : 14

a cấu hình bộ Buck : 14

b Thuật toán xác định điểm làm việc cực đại (MPPT) – P&O : 15

3 Bộ biến đổi DC-DC Boost - điều khiển trượt : 17

a cấu hình bộ Boost : 17

b điều khiển trượt : 18

4 Bộ nghịch lưu áp : 20

NHẬN XÉT :

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

I Chương I : đo đạc phụ tải và công suất pin mặt trời :

1 Thông số phụ tải :

a Phòng bộ môn cung cấp điện (107B1) :

Việc đo lường thông số phụ tải được tiếp cận theo hướng ghi nhận giá trị điện năng

tiêu thụ trên đồng hồ điện (Fluke 345 PQ clamp meter) tại nơi khảo sát

Các thiết bị điện được liệt kê trong phòng bộ môn cung cấp điện bao gồm :

Thiết bị Công suất (W) Số lượng (cái) Tổng công suất(W)

Số liệu đo đạc trung bình trong một ngày làm việc bình thường:

Đồ thị tiêu thụ công suất của phụ tải :

b Phòng quản lý vườn ươm (phòng 08):

Các thiết bị điện được liệt kê trong phòng bộ môn cung cấp điện bao gồm :

Số liệu trong một ngày làm việc bình thường :

Đồ thị tiêu thụ của phụ tải trong ngày

2 Thông số về cường độ bức xạ mặt trời :

Do việc đo lường thông số về cường độ bức xạ đòi hỏi cần phải có dụng cụ , thiết bị

chuyên dụng , khảo sát kĩ lưỡng và cần có thời gian để ghi dữ liệu của cường độ bức xạ

trong suốt một năm Nhưng trong phạm vi luận văn tốt nghiệp , không thể đáp ứng được

những yêu cầu này Do đó, toàn bộ số liệu về bức xạ mặt trời được lấy từ dữ liệu có sẵn

đã được đo lường và kiểm chứng

Số liệu được lấy từ bộ môn năng lượng , khảo sát theo giờ trong suốt một năm tại trường

đại học Bách Khoa

II Chương 2 : tính toán số lượng pin mặt trời, chọn dung lượng ắc quy:

1 Lựa chọn pin mặt trời :

Pin mặt trời được lựa chọn là loại RNG-250D của hãng RENOGY , tấm pin đáp ứng tốt

với các yêu cầu kĩ thuật mà giá thành lại không quá đắt

Các thông số kĩ thuật của tấm pin được thể hiện trong bảng sau :

2 Lựa chọn ắc quy:

Vì các phụ tải đều là phụ tải trường học có thời gian sử dụng ban đêm không quá

nhiều, và sự dụng thiết bị không có dòng khởi động lớn nên ta đặt ắc quy có số giờ

dự trữ là t giờ , và công suất bộ lưu điện lớn hơn 1,5 lần tổng công suất tải

Ta có tổng công suất tải là khoảng : 3400W

Do đó công suất lưu điện là : 1,5x3400 = 5100 W

Ta có dung lượng ắc quy là :

= 7285t

3 Thuật toán tính toán số lượng pin mặt trời :

Thuật toán hướng đến khả năng cung cấp cho tải một cách tin cậy, đưa ra kết quả là mối

quan hệ của số lượng pin mặt trời cần lắp đặt và dung lượng ắc quy lưu trữ để đảm bảo

cung cấp 100% lượng điện năng của tải yêu cầu

Giải thuật được thể hiện trong hai lưu đồ sau :

Toàn bộ thuật toán xác định số lượng pin mặt trời

Trong đó :

ES : lượng tích trữ trong ắc quy

: công suất pin mặt trời

: công suất tải tiêu thụ Emax, Emin : lần lượt là khã năng lưu trữ cực đại và cực tiểu của ac quy

n : số tấm pin mặt trời

T : tổng số giờ 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 ở mọi điều kiện

Sau đây là một số kết quả sau khi thực hiện thuật toán với các giá trị dung lượng ắc quy

theo thời gian dự trữ khác nhau

: chi phí cho 1kW công suất pin mặt trời ($)

: cống suất tấm pin ở điều kiện tiêu chuẩn (kW)

: giá một tấm pin mặt trời ($)

: giá thiết bị phụ trợ (không tính inverter) ($)

: chi phí bảo dưỡng một năm ($/năm)

= (300 + 70 + 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 ($) : giá các thiết bị phụ trợ ($)

: 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 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 $

- Công suất mỗi tấm pin mặt trời : = 0.25 kW

- Thời gian hoạt động của hệ thống : 20 năm

Từ đó , chi phí của toàn bộ hệ thống là :

C = + = +

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 phí sau :

Với tải được đo là tải sử dụng ở trường học, chủ yếu 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 inverter để cấp cho tải AC

Hệ thống có cấu hình cơ bản như sau :

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 :

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 ra bộ Buck 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 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

=

- Giá trị tụ C ảnh hưởng đến 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

Nếu sự biến thiên của điện áp làm công suất tăng lên thì sự biến thiên tiếp theo

sẽ giữ nguyên chiều hướng tăng hoặc giảm Ngược lại, nếu sự biến thiên làm

côngsuấtgiảm xuống thì sự biến thiên tiếp theo sẽ có chiều hướng thay đổi ngược lại

Nhược điểm chính của phương pháp này là không tìm được chính xác điểm

làmviệc có công suất lớn nhất khi điều kiện thời tiết thay đổi Đặc điểm của phương

pháp này là phương pháp có cấu trúc đơn giản nhất nhất và dễ thực hiện nhất, trong

trạng thái ổn định điểm làm việc sẽ dao động xung quanh điểm MPP, gây hao hụt

một phần năng lượng Phương pháp này không phù hợp với điều kiện thời tiết thay

đổi thường xuyên và đột ngột

3 Bộ biến đổi DC-DC Boost - điều khiển trượt :

a cấu hình bộ Boost :

Boost Converter là bộ biến đổi nguồn DC-DC có điện áp đầu ra lớn hơn điện áp

đầu vào Nó chứa ít nhất hai chuyển mạch bán 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

Dựa trên cấu trúc trên ta có mô phỏng trên simulink :

b điều khiển trượt :

Áp dụng luật Kirchoff cho hai vị trí chuyển mạch của sơ đồ ta thu được các hệ

phương trình vi phân tổng quát mô tả mạch:

{

Ta có hệ phương trình vi phân mô tả mạch bởi các biến , :

{

̇

̇ Mục tiêu điều khiển là điện áp ra của bộ biến đổi đạt giá trị hằng hoặc để tiếp cận

với một tín hiệu mẫu cho trước Điện áp ra mong muốn 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 : = => = , U =

Khi đó : = , =

Với việc phân tích điều khiển trực tiếp với mặt trượt h(x) = - sẽ không ổn định

nên ta chọn điều khiển gián tiếp qua mặt trượt h(x) = -

Từ đó ta có luật đóng mở u :

u = {

Hay : u = [ ]

4 Bộ nghịch lưu áp :

Để cung cấp năng lượng cho các tải, hệ thống cần có bộ nghịch lưu, do công suất

thiết kế không quá lớn (10 kW) ta sử dụng bộ nghịch lưu áp một pha Cấu trúc bộ

nghịch lưu được trình bày theo hình dưới:

Điện áp một chiều ở ngõ vào được chuyển thành xoay chiều nhờ module cầu H tạo

ra các mức điện áp âm Các khóa công suất S1, S2 và S3, S4 được kích đối nghịch

Khi S1 và S4 được kích đóng, điện áp ngõ ra sẽ dương Ngược lại khi S2 và S3

được kích đóng, điện áp ngõ ra sẽ âm Khi S1 và S3 hoặc S2 và S4 cùng được kích

đóng, điện áp ngõ ra sẽ bằng 0