NGHIÊN cứu điều KHIỂN tối ưu hệ THỐNG điện NĂNG LƯỢNG mặt TRỜI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TIÊU TRƯỜNG VŨ NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN TỐI ỨU HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 S K C0 Tp Hồ Chí Minh, năm 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TIÊU TRƯỜNG VŨ NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TIÊU TRƯỜNG VŨ NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 Hướng dẫn khoa học: TS HUỲNH CHÂU DUY Tp Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2016 LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: TIÊU TRƯỜNG VŨ Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 15/07/1979 Nơi sinh: Cà Mau Quê quán: Tân Dân – Đầm Dơi – Cà Mau Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: Trường TC Kinh Tế Kỹ Thuật Cà Mau Điện thoại quan: 0780.03821050 Fax: 0780.3828619 Điện thoại nhà riêng: 0907864141 E-mail: tieutruongvu.vncm@yahoo.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Chính qui Thời gian đào tạo từ 1995/ đến …/ 1998 Nơi học (trường, thành phố): Trường Bán Công Cà Mau, tỉnh Cà Mau Đại học: Hệ đào tạo: Tại chức Thời gian đào tạo từ …/1999 đến …/ 2005 Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh Ngành học: Kỹ Thuật Điện Ngành học: Điện khí hóa – cung cấp điện Tên đồ án, luận án môn thi tốt nghiệp: Cung cấp điện, vi điều khiển, trang bị điện Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án thi tốt nghiệp: Người hướng dẫn: Thạc sĩ: Hệ đào tạo: Cao học Thời gian đào tạo từ 06/10/2014 đến…./10/2016 Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh Ngành: Kỹ Thuật Điện Tên luận văn tốt nghiệp: Nghiên Cứu Điều Khiển Tối Ưu Hệ Thống Điện Năng Lượng Mặt Trời i Ngày & nơi bảo vệ, luận văn tốt nghiệp: 23/10/2016, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh Người hướng dẫn: TS Huỳnh Châu Duy III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Từ 01/12/2005 Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Trường TC.KT-KT Cà Mau Nhân viên tổ kỹ thuật điện Từ 07/11/2007 – đến Trường TC.KT-KT Cà Mau Giáo viên TP Hồ Chí Minh, ngày 09 tháng 10 năm 2016 Người khai ký tên Tiêu Trường Vũ ii LỜI CAM ÐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu Luận văn trung thực chưa đuợc công bố công trình khác Tôi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực Luận văn cảm ơn thông tin trích dẫn Luận văn đuợc rõ nguồn gốc TP HỒ CHÍ MINH, ngày 19 tháng 10 năm 2016 Học viên thực Luận văn Tiêu Trường Vũ iii LỜI CÁM ƠN Đầu tiên, em xin chân thành cám ơn Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM, Phòng Đào tạo sau đại học, Khoa Điện - Điện tử hỗ trợ, tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành khóa học đề tài luận văn Đặc biệt em xin chân thành cám ơn Thầy, Tiến Sĩ HUỲNH CHÂU DUY tận tình giúp đỡ, đóng góp ý kiến quý báo hướng dẫn em thực hoàn thiện Luận văn Cuối cùng, xin cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp gia đình tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ em trình thực Luận văn Tiêu Trường Vũ iv Tóm tắt Luận văn tập trung vấn đề liên quan đến “Nghiên cứu điều khiển tối ưu hệ thống điện lượng mặt trời” mà bao gồm nội dung sau: + Chương 1: Giới thiệu + Chương 2: Tổng quan tình hình nghiên cứu khai thác nguồn lượng điện mặt trời + Chương 3: Pin quang điện + Chương 4: Nghiên cứu ứng dụng giải thuật bám điểm công suất cực đại hệ thống điện lượng mặt trời + Chương 5: Mô điều khiển bám điểm công suất cực đại hệ thống điện lượng mặt trời + Chương 6: Kết luận hướng phát triển tương lai v Abstract This thesis focuses on issues related to "Maximum power point tracking control of solar energy power systems" that includes the following contents: + Chapter 1: Introduction + Chapter 2: Literature review of solar energy + Chapter 3: Photovoltaic cells + Chapter 4: Maximum power point tracking algorithms + Chapter 5: Simulation results of maximum power point tracking control + Chapter 6: Conclusions and future works vi MỤC LỤC Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân i Lời cam đoan iii Lời cám ơn iv Tóm tắt vi Mục lục vii Danh sách chữ viết tắt x Danh sách bảng xi Danh sách hình xii Chương GIỚI THIỆU 1.1 Giới thiệu 1.2 Tính cấp thiết đề tài 1.3 Đối tượng nghiên cứu 1.4 Phạm vi nghiên cứu 1.5 Mục tiêu nội dung nghiên cứu 1.6 Phương pháp nghiên cứu 1.7 Bố cục luận văn Chương TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ KHAI THÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI 2.1 Cấu trúc mặt trời 2.2 Quỹ đạo trái đất quanh mặt trời 2.3 Góc cao độ mặt trời vào buổi trưa 2.4 Bức xạ mặt trời 10 2.5 Ứng dụng lượng mặt trời 13 2.6 Tình hình khai thác lượng mặt trời Việt Nam 14 2.7 Tổng quan tình hình nghiên cứu 18 vii Chương PIN QUANG ĐIỆN 3.1 Giới thiệu 22 3.2 Sơ đồ thay đơn giản PV 25 3.3 Sơ đồ thay PV có xét đến tổn hao 26 3.4 Module PV 27 3.5 Mảng PV 28 3.5.1 Nối nối tiếp nhiều module PV 28 3.5.2 Nối song song nhiều module PV 29 3.5.3 Nối hỗn hợp nhiều module PV 29 3.6 Các ảnh hưởng đến PV 30 3.6.1 Ảnh hưởng cường độ chiếu sáng 30 3.6.2 Ảnh hưởng nhiệt độ 31 3.6.3 Ảnh hưởng tượng bóng râm 31 Chương GIẢI THUẬT BÁM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI 4.1 Giới thiệu 36 4.2 Giải thuật P&O (Perturbation and Observation) 37 4.3 Thuật toán điện dẫn gia tăng (InC - Incremental Conductance) 41 4.4 Thuật toán điện áp số 43 4.5 Phương pháp điều khiển MPPT 45 4.5.1 Phương pháp điều khiển PI 45 4.5.2 Phương pháp điều khiển trực tiếp 46 4.5.3 Phương pháp điều khiển đo trực tiếp tín hiệu 49 4.6 Ứng dụng thuật toán bám điểm công suất cực đại, P&O thích nghi 49 Chương MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CỦA MỘT HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 5.1 Giới thiệu 51 5.2 Mô pin quang điện 53 5.3 Mô hệ thống điện lượng mặt trời với giải thuật bám điểm công suất cực đại P&O P&O thích nghi 58 viii 5.3.1 Điều kiện xạ không đổi, G = 1000 W/m2 nhiệt độ, T = 250C 58 5.3.2 Điều kiện xạ thay đổi dạng bậc thang nhiệt độ, T = 250C 61 Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN TƯƠNG LAI 6.1 Kết luận 66 6.2 Hướng phát triển tương lai 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 ix DANH MỤC KÍ HIỆU PV Array Pin quang điện NLMT Pin lượng mặt trời MPP Điểm công suất cực đại Pin lượng mặt trời PLL Vòng khóa pha PWM Bộ tạo xung Vref Điện áp chuẩn Voc Điện áp hở mạch VMPP Điện áp tối đa Pin quang điện DSP (Processing Signal Digital): Tín hiệu số DC/DC Bộ biến đổi điện áp  Góc nhìn mặt trời D Hệ số làm việc biến đổi Boost Rs Điện trở nối tiếp biểu diễn cho tổn thất công suất Rp Điện trở song song biểu diễn cho tổn thất công suất Vd Điện áp Diode Wp Watt-peak x DANH SÁCH BẢNG BẢNG TRANG Bảng 2.1 Bảng ngày số n ngày tháng Bảng 2.2 Bảng thống kê góc δ ngày 21 tháng Bảng 2.3 Tiềm năng lượng mặt trời Việt Nam 15 Bảng 3.1 Bảng phân loại tuần hoàn trích lược với tinh thể Silicon thuộc nhóm IV 23 Bảng 4.1 Bảng tóm tắt thuật toán leo đồi P&O 38 xi DANH SÁCH HÌNH VẼ HÌNH TRANG Hình 2.1 Cấu trúc mặt trời Hình 2.2 Quỹ đạo trái đất quay quanh mặt trời Hình 2.3 Nhìn quỹ đạo trái đất để dễ tính góc δ Hình 2.4 Góc cao độ mặt trời Hình 2.5 Dải xạ điện từ 10 Hình 2.6 Góc nhìn mặt trời 11 Hình 2.7 Quá trình truyền lượng xạ mặt trời qua lớp khí trái đất 13 Hình 3.1 Phổ lượng mặt trời 22 Hình 3.2 Nguyên tắc chuyển đổi lượng mặt trời thành lượng điện PV 24 Hình 3.3 Mô hình đơn giản PV 24 Hình 3.4 Sơ đồ thay đơn giản PV 25 Hình 3.5 Các tham số quan trọng PV: dòng điện ngắn mạch, Isc điện áp hở mạch, Voc 25 Hình 3.6 Mô hình thay PV có xét đến tổn hao 26 Hình 3.7 Đặc tính PV có xét đến ảnh hưởng Rs Rp 27 Hình 3.8 Module PV 27 Hình 3.9 Đặc tính module PV 28 Hình 3.10 Các module PV kết hợp nối tiếp với 28 Hình 3.11 Các module PV kết hợp song song với 29 Hình 3.12 Các module PV kết hợp hổn hợp với 29 Hình 3.13 Đặc tuyến V-I PV với cường độ chiếu sáng khác nhiệt độ PV không đổi, 250C 30 Hình 3.14 Đặc tuyến V-I PV với nhiệt độ khác cường độ chiếu sáng không đổi kW/m2 31 xii Hình 3.15 Module PV với n PV trường hợp module không bị che khuất 31 Hình 3.16 Module PV với n PV trường hợp module bị che khuất phần .32 Hình 3.17 Ảnh hưởng tượng bóng râm module PV 33 Hình 3.18 Module PV với nhiều PV bị che khuất 33 Hình 3.19 Module PV sử dụng diode bypass 34 Hình 3.20 Đặc tính PV trường hợp sử dụng diode bypass 34 Hình 3.21 Đánh giá so sánh trường hợp có diode bypass 35 Hình 4.1 Quan hệ điện áp dòng PV 36 Hình 4.2 Thuật toán P&O tìm điểm làm việc có công suất lớn 37 Hình 4.3 Lưu đồ thuật toán P&O 39 Hình 4.4 Sự thay đổi điểm MPP theo gia tăng xạ 40 Hình 4.5 Thuật toán InC 41 Hình 4.6 Lưu đồ thuật toán InC 43 Hình 4.7 Lưu đồ thuật toán điện áp không đổi 44 Hình 4.8 Sơ đồ khối phương pháp điều khiển MPPT sử dụng bù PI 45 Hình 4.9 Sơ đồ khối phương pháp điều khiển trực tiếp MPPT 46 Hình 4.10 Mối quan hệ tổng trở vào Rin hệ số làm việc D 48 Hình 5.1 Sơ đồ hệ thống điện lượng mặt trời bám điểm công suất cực đại nối lưới 51 Hình 5.2 Sơ đồ mô hệ thống điện lượng mặt trời bám điểm công suất cực đại nối lưới 52 Hình 5.3 Khối mô thuật toán P&O P&O thích nghi 52 Hình 5.4 Khối mô biến đổi DC/DC Boost 53 Hình 5.5 Khối khai báo thông số mô cho mảng PV cần khảo sát 53 Hình 5.6 Các đặc tuyến Điện áp - Cường độ dòng điện (V-A) Điện xiii áp - Công suất (V-P) module PV 54 Hình 5.7 Các đặc tuyến Điện áp - Cường độ dòng điện (V-A) Điện áp - Công suất (V-P) module PV hệ PV 55 Hình 5.8 Khối mô trạm biến áp 57 Hình 5.9 Khối mô nguồn lưới 57 Hình 5.10 Cường độ xạ không đổi, G = 1000 W/m2 58 Hình 5.11 Công suất hệ PV sử dụng thuật toán P&O với G không đổi 59 Hình 5.12 Công suất hệ PV sử dụng thuật toán P&O thích nghi với G không đổi 59 Hình 5.13 Công suất hệ PV sử dụng thuật toán P&O P&O thích nghi với G không đổi 60 Hình 5.14 Cường độ xạ thay đổi dạng bậc thang 61 Hình 5.15 Công suất hệ PV sử dụng thuật toán P&O với G thay đổi bậc thang 61 Hình 5.16 Công suất hệ PV sử dụng thuật toán P&O thích nghi với G thay đổi bậc thang 62 Hình 5.17 Công suất hệ PV sử dụng thuật toán P&O P&O thích nghi với G thay đổi bậc thang 63 Hình 5.18 Cường độ xạ thay đổi ngẫu nhiên 63 Hình 5.19 Công suất hệ PV sử dụng thuật toán P&O với G thay đổi ngẫu nhiên 64 Hình 5.20 Công suất hệ PV sử dụng thuật toán P&O thích nghi với G thay đổi ngẫu nhiên 64 Hình 5.21 Công suất hệ PV sử dụng thuật toán P&O P&O thích nghi với G thay đổi ngẫu nhiên 65 xiv Chương GIỚI THIỆU 1.1 Giới thiệu Vấn đề khủng hoảng lượng điện giới nói chung Việt Nam nói riêng đặc biệt quan tâm Để giải vấn đề này, có nhiều đề xuất việc sử dụng dạng lượng khác để tạo lượng điện, dạng lượng tái tạo Một số có lượng mặt trời Mặt trời khối cầu lửa khổng lồ, phản ứng nhiệt hạch xảy liên tục phát nguồn lượng dường vô tận Những phản ứng nhiệt hạch mặt trời diễn hàng triệu triệu năm mà chưa dự đoán thời điểm kết thúc Trái cầu lửa mặt trời khổng lồ truyền phần lượng nhỏ bé xuống trái đất cách xa hàng triệu km mà người cảm thấy sức nóng khủng khiếp mặt trời nhiều vùng Năng lượng mặt trời mang lại sống cho trái đất thiêu trụi trái đất trái đất tầng ô zôn khí bảo vệ Có thể nhận thấy rằng, lượng mặt trời nguồn lượng không giống nguồn lượng khác mà khai thác trái đất Ví dụ thủy gây đột biến dòng chảy sông làm cân sinh thái khu vực hạ lưu dòng sông đó; nhiệt điện gây bụi ô nhiễm môi trường khí CO2; lượng hạt nhân có khả gây nhiều nguy kinh khủng Nếu tận dụng nguồn lượng mặt trời để phục vụ đời sống phát triển đất nước công việc có ích bảo vệ môi trường sinh thái [1] Một ứng dụng tầm vĩ mô nguồn lượng mặt trời toán sản xuất lượng điện thông qua hệ thống PV (Photovoltaic, PV) Các ứng dụng độc lập hộ gia đình, phục vụ chiếu sáng đường phố, xe điện, quân ứng dụng không gian hệ thống kết nối với lưới điện quốc gia Trong hệ thống PV tồn hai vấn đề lớn: - Hiệu suất chuyển đổi lượng mặt trời thành lượng điện thấp (9 ÷ 17%), đặc biệt điều kiện xạ thấp, - Năng lượng điện tạo PV thay đổi liên tục điều kiện thời tiết khác Mặt khác, đặc tính V–I PV phi tuyến thay đổi điều kiện nhiệt độ xạ khác đặc tuyến V–I V–P tồn điểm mà gọi điểm công suất cực đại (Maximum power point, MPP) Vị trí MPP không xác định được, đạt thông qua mô hình tính toán thuật toán tìm kiếm Sau MPP xác định, kỹ thuật bám MPP sử dụng để trì điểm làm việc PV luôn MPP Với phân tích cho thấy hiệu suất chuyển đổi lượng mặt trời thành lượng điện hệ PV hoàn toàn tối ưu, nhằm nâng cao hiệu khai thác Điều có nghĩa giảm bớt gánh nặng cho nguồn lượng điện truyền thống thủy điện hay nhiệt điện Chính lý trên, đề tài “Nghiên cứu điều khiển tối ưu hệ thống điện lượng mặt trời” lựa chọn thực luận văn 1.2 Tính cấp thiết đề tài Nguồn điện gánh chịu áp lực nặng nề cạn kiệt nguồn lượng sơ cấp truyền thống (nước, nhiên liệu hóa thạch, ) Để giảm bớt gánh nặng này, nâng cao hiệu khai thác nguồn lượng tái tạo, đề tài xem cần thiết nghiên cứu triển khai 1.3 Đối tượng nghiên cứu Các nghiên cứu thực mô hình hệ thống điện mặt trời bao gồm: - Hệ thống pin quang điện, PV - Các biến đổi DC-DC DC-AC - Các điều khiển bám điểm công suất cực đại 1.4 Phạm vi nghiên cứu - Khảo sát tình hình khai thác sử dụng lượng điện mặt trời Việt Nam - Tổng quan nghiên cứu thực liên quan đến đề tài - Nghiên cứu đánh giá lý thuyết cho đặc tính PV - Nghiên cứu ứng dụng thuật toán bám theo điểm công suất cực đại PV điều kiện xạ nhiệt độ khác cho tối ưu hóa lượng thu 1.5 Mục tiêu nội dung nghiên cứu Đề tài “Nghiên cứu điều khiển tối ưu hệ thống điện lượng mặt trời” thực với mục tiêu nội dung sau: - Khảo sát tình hình khai thác sử dụng lượng điện mặt trời Việt Nam - Nghiên cứu PV đặc tính - Nghiên cứu xây dựng hệ thống điện sử dụng lượng mặt trời thông qua PV - Nghiên cứu ứng dụng thuật toán điều khiển bám điểm công suất cực đại hệ thống điện lượng mặt trời - Mô PV nguyên lý làm việc hệ thống điện sử dụng lượng mặt trời thông qua PV - Mô thuật toán điều khiển bám điểm công suất cực đại hệ thống điện lượng mặt trời 1.6 Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu tài liệu điều khiển bám điểm công suất cực đại hệ thống điện lượng mặt trời Việt Nam nước giới - Phân tích, tổng hợp ứng dụng thuật toán điều khiển bám điểm công suất cực đại hệ thống điện lượng mặt trời 1.7 Bố cục luận văn Bố cục luận văn gồm chương: + Chương 1: Giới thiệu + Chương 2: Tổng quan tình hình nghiên cứu khai thác nguồn lượng điện mặt trời + Chương 3: Pin quang điện + Chương 4: Nghiên cứu ứng dụng giải thuật bám điểm công suất cực đại hệ thống điện lượng mặt trời + Chương 5: Mô điều khiển bám điểm công suất cực đại hệ thống điện lượng mặt trời + Chương 6: Kết luận hướng phát triển tương lai Chương TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ KHAI THÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI 2.1 Cấu trúc mặt trời [2] Mặt trời khối khí hình cầu có đường kính 1,390.106 km (lớn 110 lần đường kính Trái đất), cách xa trái đất 150.106 km (bằng đơn vị thiên văn AU ánh sáng Mặt trời cần khoảng phút để vượt qua khoảng đến Trái đất) Khối lượng Mặt trời khoảng M0 =2.1030 kg Nhiệt độ T0 trung tâm mặt trời thay đổi khoảng từ 10.106 0K đến 20.106 0K, trung bình khoảng 15600000 0K Ở nhiệt độ vật chất giữ cấu trúc trật tự thông thường gồm nguyên tử phân tử Nó trở thành plasma hạt nhân nguyên tử chuyển động tách biệt với electron Khi hạt nhân tự có va chạm với xuất vụ nổ nhiệt hạch Khi quan sát tính chất vật chất nguội bề mặt nhìn thấy Mặt trời, nhà khoa học kết luận có phản ứng nhiệt hạch xảy lòng Mặt trời Hình 2.1 Cấu trúc mặt trời ... thuật toán điều khiển bám điểm công suất cực đại hệ thống điện lượng mặt trời 1.6 Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu tài liệu điều khiển bám điểm công suất cực đại hệ thống điện lượng mặt trời Việt... dụng lượng mặt trời thông qua PV - Nghiên cứu ứng dụng thuật toán điều khiển bám điểm công suất cực đại hệ thống điện lượng mặt trời - Mô PV nguyên lý làm việc hệ thống điện sử dụng lượng mặt trời. .. đại hệ thống điện lượng mặt trời + Chương 6: Kết luận hướng phát triển tương lai Chương TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ KHAI THÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI 2.1 Cấu trúc mặt trời [2] Mặt trời