Nghiên cứu thuật toán xác định và duy trì điểm làm việc cực đại của hệ thống điện mặt trời nối lưới

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP -o0o NGUYỄN THỊ LAN NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN XÁC ĐỊNH VÀ DUY TRÌ ĐIỂM LÀM VIỆC CỰC ĐẠI CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA KHOA CHUYÊN MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TRƯỞNG KHOA PGS.TS Lại Khắc Lãi PHÒNG ĐÀO TẠO THÁI NGUYÊN 2016 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn i LỜI CAM ĐOAN Tên là: Nguyễn Thị Lan Sinh ngày 03 tháng năm 1988 Học viên lớp cao học khóa 16 - Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Trường Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp Thái Nguyên Hiện công tác Khoa Điện - Điện tử Trường Cao đẳng nghề kinh tế kỹ thuật Bắc Ninh Tôi xin cam đoan: Bản luận văn: “Nghiên cứu thuật tốn xác định trì điểm làm việc cực đại hệ thống điện mặt trời nối lưới” thầy giáo PGS.TS Lại Khắc Lãi hướng dẫn cơng trình nghiên cứu riêng tơi Tất tài liệu tham khảo có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng Các số liệu, kết luận văn hoàn toàn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Nếu sai tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm Bắc Ninh, Ngày 12 tháng 03 năm 2016 Tác giả luận văn Nguyễn Thị Lan Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn ii LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu, động viên, giúp đỡ hướng dẫn tận tình thầy giáo PGS.TS Lại Khắc Lãi, luận văn với đề tài “Nghiên cứu thuật toán xác định trì điểm làm việc cực đại hệ thống điện mặt trời nối lưới” hoàn thành Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến: Thầy giáo hướng dẫn PSG TS Lại Khắc Lãi tận tình dẫn, giúp đỡ tác giả hồn thành luận văn Phòng quản lý đào tạo sau đại học, thầy giáo, cô giáo Khoa Điện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên giúp đỡ tác giả suốt trình học tập q trình nghiên cứu đề tài Tồn thể đồng nghiệp, bạn bè, gia đình người thân quan tâm, động viên, giúp đỡ tác giả suốt q trình học tập hồn thành luận văn Bắc Ninh, Ngày 12 tháng 03 năm 2016 Tác giả luận văn Nguyễn Thị Lan Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn iii Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn iv MỤC LỤC MỤC LỤC iv LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT iv DANH MỤC CÁC BẢNG ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ xi MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết tài .1 Ý nghĩa khoa học .2 thực đề tễn Ý nghĩa khoa .2 học Ý nghĩa thực .2 tễn Mục têu nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu Phương pháp nghiên .3 cứu Tên đề .3 Bố cục luận tài văn CHƯƠNG .4 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1.1 Nguồn lượng mặt 1.1.1 Cấu trúc .4 mặt trời trời 1.1.2 Năng lượng mặt trời 1.1.3 xạ mặt Phổ Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn v trời 1.1.4 Đặc điểm xạ mặt trời 1.1.4.1 Phổ xạ bề mặt mặt đất trời 1.1.4.2 Sự giảm lượng mặt trời phụ thuộc vào độ dài đường ta sáng qua lớp khí quyển( air mass) 11 1.1.4.3 Cường độ xạ gian 12 1.1.4.4 Cường độ 13 xạ mặt mặt trời trời biến biến đổi theo thời đổi theo không gian lượng mặt 1.2 Các phương pháp trời 14 khai thác, sử dụng 1.2.1 Sử dụng hệ thống lập 15 điện lượng mặt trời làm việc 1.2.1.1 Pin mặt .15 1.2.1.2 Nhà máy nhiệt 16 điện sử dụng lượng độc trời mặt trời 1.2.1.3 Thiết bị sấy khô dùng NLMT 16 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn vi 1.2.1.4 Thiết bị chưng cất nước sử dụng NLMT 17 1.2.1.5 Động strling chạy NLMT 17 1.2.1.6 Bếp nấu dùng NLMT 18 1.2.1.7 Thiết bị đun nước nóng lượng mặt trời 20 1.2.1.8 Thiết bị làm lạnh điều hòa khơng khí dùng NLMT 21 1.2.2 Hướng nghiên cứu cho việc sử dụng Năng lượng mặt trời 21 1.3 Kết luận chương 24 CHƯƠNG 25 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT TRONG VIỆC KHAI THÁC NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 25 2.1 Các linh kiện điện tử thông dụng sử dụng hệ thống điện mặt trời nối lưới 25 2.1.1 Điện trở 25 2.1.2 Tụ điện 27 2.1.3 Diode bán dẫn 28 2.1.3.1 Cấu tạo, kí hiệu 28 2.1.3.2 Đặc tuyến V-A 29 2.1.3.3 Các tham số Diode: Chia làm hai nhóm .29 2.1.3.4 Phân loại 30 2.1.4 Transistor lưỡng cực( Transistor Bipolar) 30 2.4.1.1 Cấu tạo 30 2.1.4.2 Nguyên lý làm việc 31 2.1.4.3 Các tham số 33 2.1.5 Transistor Trường< FET > (Field Efect Transistor) 33 2.1.5.1 Tranzitor trường có cực cửa tếp giáp JFET 34 2.1.5.2 Tranzitor trường có cực cửa cách ly MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor FET) .36 2.1.6 Thysistor 38 2.1.6.1 Cấu tạo, nguyên lý làm việc .38 2.1.6.2 Đặc tuyến V- A .40 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn vi i lưới 40 2.2 Cấu trúc hệ thống điện mặt trời nối 2.2.1 Sơ đồ khối hệ thống .40 2.2.2 Điều khiển hệ thống điện mặt trời nối lưới 41 2.3 Pin mặt trời (PV-Photovoltaic) 41 2.3.1 Khái niệm 41 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn vi 2.3.2 Mơ hình tốn đặc tính làm việc pin mặt trời 42 2.4 Bộ biến đổi chiều - chiều (DC-DC) .45 2.4.1 Chức 45 2.4.2 Các loại biến đổi DC/DC 46 2.4.2.1 Bộ biến đổi DC/DC không cách ly 46 2.4.2.2 Bộ biến đổi DC- DC có cách ly 51 2.4.3 Điều khiển biến đổi DC-DC 51 2.4.3.1 Mạch vòng điều khiển điện áp 51 2.4.3.2 Mạch vòng điều khiển dòng điện .52 2.5 Nghịch lưu nối lưới (Inverter) 53 2.5.1 Các phép chuyển đổi 54 2.5.1.1 Biến đổi hệ thống ba pha sang pha 54 2.5.1.1 Chuyển đổi hệ thống pha sang hai pha 56 2.5.2 Điều chế độ rộng xung (PWM - Pulse Width Modulaton) 57 2.5.2.1 Điều chế độ rộng xung dựa sóng mang (CB-PWM) 58 2.5.2.2 Điều chế véc tơ không gian (SVM) .59 2.5.3 Điều khiển chuyển đổi DC-AC 60 2.5.3.1 Bộ điều khiển PI .61 2.5.3.2 Bộ điều khiển cộng hưởng tỉ lệ (PR - Proportonal Resonant) 63 2.5.3.3 Bộ điều khiển phản hồi trạng thái 63 2.6 Lý thuyết hòa hệ thống điện mặt trời nối lưới 64 2.6.1 Các điều kiện hòa đồng 64 2.6.1.1 Điều kiện tần số 64 2.6.1.2 Điều kiện điện áp 65 2.6.1.2 Điều kiện pha .65 2.6 Đồng vị pha hai hệ thống lưới 65 2.7 Kết luận chương 66 CHƯƠNG 67 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn vi THUẬT TOÁN XÁC ĐỊNH VÀ DUY TRÌ ĐIỂM LÀM VIỆC CỰC ĐẠI CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI .67 3.1 Khái niệm .67 3.2 Thuật tốn dò điểm cơng suất tối đa pin mặt trời (MPPT - Maximum Power Point Tracking) 69 3.2.1 Thuật toán điện áp không đổi (CV – Constant Voltage) .69 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 78 Tại thời điểm lấy mẫu (tk) FLC kiểm tra công suất đầu PV xác định thay đổi tương đối công suất so với điện áp (dp/du) Nếu giá trị lớn Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 78 zero, điều khiển thay đổi chu kỳ làm việc PWM để tăng điện áp công suất cực đại (hoặc giá trị dp/du = 0), Nếu giá trị nhỏ zero, điều khiển thay đổi chu kỳ làm việc PWM để giảm điện áp cơng suất cực đại FLC có đầu vào sai số thay đổi sai số, có đầu đưa vào điều chế độ rộng xung để điều khiển chuyển đổi DC-DC Các đầu vào đầu định nghĩa sau: P ( k ) P ( k  1) U(k)  U(k 1) DE  E(k)  E(k 1) E(k)  (3.3) Trong P(k) cơng suất tức thời PV thời điểm tk Sai số E(k) cho biết điểm hoạt động tải thời điểm tk phía bên trái hay bên phải điểm cơng suất cực đại đường đặc tính PV, độ thay đổi DE diễn tả hướng chuyển động điểm MPP Sử dụng mơ hình mờ Mandani, giải mờ phương pháp điểm trọng tâm + Hàm liên thuộc vào, Hình 3.14: Hàm liên thuộc tập mờ đầu vào € Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Hình 3.15: Hàm liên thuộc đầu vào (DE) Hình 3.16: Hàm liên thuộc đầu (D) Nguyên tắc thiết lập luật điều khiển điều khiển mờ phân tích trên, luật liệt kê bảng 3.1 Bảng 3.1: Luật điều khiển FLC Giải mờ phương pháp trọng tâm giá trị đầu D tính theo cơng thức (3.4) Quan hệ Vào-Ra điều khiển mờ biểu diễn hình 3.17 Hình 3.17: Quan hệ Vào-Ra FLC 3.4 Các kết mô Việc mô thuật tốn xác định trì điểm cơng suất tối đa hệ thống điện mặt trời nối lưới thực phần mềm Matlab powersim Sơ đồ mơ mơ tả hình 3.18 Trong biến đổi DC- DC sử dụng mạch boost, thông số pin bảng 3.1 Hình 3.18: Sơ đồ mơ thuật tốn MPPT Psim Bảng 3.2: Thông số pin mặt trời Hình 3.19: Đáp ứng hệ thống sử dụng thuật tốn xáo trộn quan sát Hình 3.20: Đáp ứng hệ thống sử dụng thuật toán điện dẫn gia tăng Đáp ứng dòng điện điện áp hệ thống sử dụng thuật toán xáo trộn quan sát hình 3.19, sử dụng thuật toán độ dẫn gia tăng hình 3.20 Để mơ thuật tốn MPPT phương pháp điều khiển mờ, ta sử dụng đồng mô Matlab Psim, sơ đồ mô hình 3.21 hình 3.22; Đáp ứng hệ thống sử dụng điều khiển mờ hình 3.23 S1 Out1 S2 Out2 Ramp du/dt Lan6fuzzy Khối Psim Hình 3.21: Sơ đồ mơ thuật toán MPPT sử dụng điều khiển mờ Matlab Psim Hình 3.22: Sơ đồ khối Psim hình 3.21 Hình 3.23: Đáp ứng hệ thống sử dụng điều khiển mờ Nhận xét: Từ kết mô ta thấy thuật toán MPPT đảm bảo cho hệ thống điện mặt trời bám điểm làm việc có cơng suất cực đại điều kiện mơi trường (bức xạ mặt trời nhiệt độ) thay đổi 3.5 Kết luận chương Chương đưa thuật tốn dò điểm cơng suất tối đa pin mặt trời, ứng dụng fuzzy logic để xác định trì điểm làm việc cơng suất cực đại hệ thống pin mặt trời Tác giả mô rút kết luận cho đề xuất sử dụng điều khiển mờ để xây dựng thuật toán theo dõi trì điểm làm việc có cơng suất cực đại cho hệ thống điện mặt trời nối lưới KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Sau thời gian nghiên cứu, đến luận văn hoàn thành Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc giúp đỡ tận tnh thầy giáo PGS.TS Lại Khắc Lãi Xin chân thành cảm ơn thầy, cô giáo Bộ môn Tự động hóa - T rường Đại học Kỹ thuật Cơng nghiệp - Đại học Thái Nguyên tạo điều kiện giúp đỡ suốt q trình tham gia khóa học Xin chân thành cảm ơn khoa sau đại học, bạn bè đồng nghiệp tạo điều kiện giúp đỡ hoàn thành luận văn Luận văn với đề tài" Nghiên cứu thuật tốn xác định trì diểm làm việc cực đại hệ thống điện mặt trời nối lưới" hoàn thành đạt số kết sau: - Nêu tổng quan lượng mặt trời - Thiết kế mạch điện tử công suất việc khai thác lượng mặt trời - Mơ thuật tốn MPPT sử dụng điều khiển mờ (FLC) phần mềm Matlad Psim Do hạn chế thời gian, trình độ nên luận văn khơng thể tránh khỏi sai sót Tác giả mong nhận dẫn, góp ý thầy giáo, cô giáo đồng nghiệp để luận văn hoàn thiện Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành cảm ơn! Kiến nghị Do thời gian trình độ có hạn nên luận văn dừng việc mơ thuật tốn xác định trì điểm làm việc có cơng suất cực đại hệ thống điện mặt trời nối lưới Trong thời gian tới tác giả dự kiến tếp tục nghiên cứu theo hướng với nội dung sau: - Xây dựng mô hình khảo sát thuật tốn MPPT thực nghiệm, hiệu chỉnh hồn thiện để triển khai vào thực tế - Tiếp tục nghiên cứu cải tến thuật tốn MPPT có đề xuất thuật toán MPPT đảm bảo cho hệ thống điện mặt trời nối lưới làm việc chế độ tối ưu 86 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn Hồng Anh, Nguyễn Minh trí, “Ứng dụng hệ mờ điều khiển SVC lưới điện” Tạp chí khoa học số 15 + 16 Đại học Đà Nẵng [2] Phạm Thị Hồng Anh, “Xây dựng điều khiển nối lưới nguồn lượng mặt trời,” Luận văn thạc sỹ kỹ thuật, chuyên ngành tự động hóa; 2012 [3] Lại Khắc Lãi, Dương Quốc Hưng, Trần Thị Thanh Hải "Thiết kế điều khiển hòa lưới cho máy phát điện sức gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép" Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Đại học Thái Nguyên số 10 (2011); Tr 219-226 [4] Lại Khắc Lãi, Vũ Nguyên Hải, Trần Gia Khánh "Điều khiển hệ thống lai lượng gió mặt trời lưới điện thơng minh" Tạp chí Khoa học Công nghệ Đại học Thái Nguyên số 4, tập 118 (2014); Tr 15-21 [5] Lại Khắc Lãi, Vũ Nguyên Hải, Lại Thị Thanh Hoa "Điều khiển công suất tác dụng công suất phản kháng biến tần pha nối lưới" Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Đại học Thái Nguyên số 8, tập 122 (2014); Tr 149-154 [6] Lại Khắc Lãi công “Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ mã số B2011-TN01-01” Tiếng Anh [7] Lai Khac Lai "Fuzzy Logic Controller for Grid-Connected single phase Inverter" Journal of science and technology - Thai Nguyen University No:02 (2013) [8] E Miller, “Smart grids – a smart idea?,” Renewable Energy Focus Magazine, vol 10, pp 62-67, Sep.-Oct 2009 [9] H Yang, Z Wei, and L Chengzh, “Optimal design and techno-economic analysis of a hybrid solar-wind power generaton system,” Applied Energy, vol 86, pp 163-169, Feb 2009 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn [10] S Dihrab, and K Sopian, “Electricity generation of hybrid PV/wind systems in Iraq,” Renewable Energy, vol 35, pp 1303-1307, Jun 2010 [11] S.K Kim, J.H Jeon, C.H Cho, E.S Kim, and J.B Ahn, “Modeling and simulaton of a grid-connected PV generaton system for electromagnetic transient analysis, ”Solar Energy, vol.83, pp 664-678, May 2009 [12] H.L Tsai, “Insolaton-oriented model of photovoltaic module using Matlab/Simulink,” Solar Energy, vol 84, pp 1318-1326, July 2010 [13] J.A Gow, and C.D Manning, “Development of a photovoltaic array model for use in power-electronics simulaton studies,” IEE Proceedings- Electric Power Applicatons, vol 146, pp 193-199, Mar 1999 [14] M.J Khan, and M.T Iqbal, “Dynamic modeling and simulaton of a small wind fuel cell hybrid energy system,” Renewable Energy, vol 30, pp 421-439, Mar 2005 [15] M.G Villalva, J.R Gazoli, and E.R Filho, “Comprehensive approach to modeling and simulation of photovoltaic arrays,” IEEE Transactons on Power Electronics, vol 24, pp 1198 - 1208, May 2009 [16] E Muljadi, C.P Butterfield, “Pitch-controlled variable-speed wind turbine generaton,” IEEE Trans Industry Appl., vol 37, pp 240–246, Jan.-Feb 2001 [17] Crowhurst, B., El-Saadany, E.F., El Chaar, L., Lamont, L.A.: „Single-phase grid- te inverter control using DQ transform for actve and reactive load power compensation‟ Proc Power and Energy (Pecon), 2010, pp 489–494 [18] Ichikawa, R., Funato, H., Nemoto, K.: „Experimental verification of single-phase utlity interface inverter based on digital hysteresis current controller‟ Int Conf Electrical Machines and Systems, 2011, pp 1–6 89 [19] Tran Cong Binh, Mai Tuan Dat, Phan Quang An, Pham Dinh Truc and Nguyen Huu Phuc: „Actve and reactve power controler for single-phase grid-connected photovoltaic systems‟, www4.hcmut.edu.vn/ /HCMUT_VN ... ngành… Nghiên cứu thực tễn Nghiên cứu thuật tốn xác định trì điểm làm việc cực đại hệ thống điện mặt trời nối lưới Tên đề tài “ Nghiên cứu thuật tốn xác định trì điểm làm việc cực đại hệ thống điện. .. lưới điện quốc gia (bán trở lại cho lưới điện thông qua đồng hồ đo để giảm thiểu hóa đơn tền điện ) Vì vậy, việc nghiên cứu thuật tốn xác định trì điểm làm việc cực đại hệ thống điện mặt trời nối. .. cam đoan: Bản luận văn: Nghiên cứu thuật tốn xác định trì điểm làm việc cực đại hệ thống điện mặt trời nối lưới thầy giáo PGS.TS Lại Khắc Lãi hướng dẫn cơng trình nghiên cứu riêng tơi Tất tài