Nghiên cứu một số phương pháp nâng cao hiệu quả khai tác nguồn pin mặt trời

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN LÊ TIÊN PHONG NGHIÊN CỨU MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ KHAI THÁC NGUỒN PIN MẶT TRỜI LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT THÁI NGUYÊN – NĂM 2018 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án thành nghiên cứu thân hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Văn Liễn – Viện Điện, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, PGS.TS Ngô Đức Minh – Khoa Điện, trường Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp, Đại học Thái Nguyên tập thể nhà khoa học khoa Điện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên Kết nghiên cứu luận án trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Thái Nguyên, ngày 05 tháng 02 năm 2018 Tác giả luận án Lê Tiên Phong -ii- LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến hai thầy hướng dẫn khoa học trực tiếp, PGS.TS Nguyễn Văn Liễn PGS.TS Ngô Đức Minh trực tiếp hướng dẫn, định hướng khoa học q trình nghiên cứu Tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành kính trọng đến tập thể nhà khoa học khoa Điện, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên, bạn bè đồng nghiệp đóng góp ý kiến quý báu chuyên môn suốt thời gian thực luận án Tác giả luận án xin trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng Đào tạo, Ban chủ nhiệm khoa Điện, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên tạo điều kiện thuận lợi cho nghiên cứu sinh suốt trình học tập nghiên cứu Cuối cùng, tơi muốn nói lời cảm ơn sâu sắc đến bố mẹ, anh chị, vợ ln bên tơi, hết lòng quan tâm, sẻ chia, ủng hộ, động viên tinh thần, tạo điều kiện giúp tơi có nghị lực vượt qua giai đoạn khó khăn nhất, vất vả để hồn thành luận án Tác giả luận án Lê Tiên Phong -iii- MỤC LỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT vii KÝ HIỆU ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ xii DANH MỤC CÁC BẢNG xv MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Khái quát nguồn pin mặt trời 1.2 Cấu trúc chung hệ thống khai thác nguồn pin mặt trời 1.3 Tình hình nghiên cứu giới nước pin mặt trời .7 1.3.1 Tình hình nghiên cứu giới 1.3.2 Tình hình nghiên cứu nước .11 1.4 Một số vấn đề tồn đề xuất hướng giải 12 1.4.1Một số vấn đề tồn 12 1.4.2Tiếp cận vấn đề 15 1.4.3Đề xuất hướng giải 16 1.5 Kết luận chương 17 CHƯƠNG 19 MÔ HÌNH HĨA ĐẦY ĐỦ VÀ NHẬN DẠNG CHÍNH XÁC ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CHO NGUỒN PIN MẶT TRỜI 19 2.1 Mơ hình tốn học nguồn pin mặt trời 19 2.2 Xây dựng giải pháp nhận dạng thông số ẩn cho nguồn pin mặt trời điều kiện vận hành tiêu chuẩn 23 2.2.1 Nêu vấn đề 23 2.2.2 Thiết lập phương trình điểm đặc biệt điều kiện tiêu chuẩn 24 2.2.3 Phương pháp xác định thông số ẩn 26 2.2.4Xây dựng thuật tốn xác định thơng số ẩn 27 -iv- 2.2.5 Áp dụng xác định thông số ẩn cho số loại pin quang điện 29 2.3 Giải pháp nhận dạng xác điểm cơng suất cực đại cho nguồn pin mặt trời 31 2.3.1 Nội dung giải pháp đề xuất 31 2.3.2 Đánh giá tính xác giải pháp đề xuất 34 2.4 Mơ hình hóa đầy đủ cho nguồn pin mặt trời 35 2.4.1 Quy đổi giá trị thông số từ điều kiện vận hành tiêu chuẩn điều kiện vận hành 35 2.4.2Xây dựng hàm số n(T) 38 2.4.3Mơ hình hóa đầy đủ cho nguồn pin mặt trời .43 2.5 Kết luận chương .44 CHƯƠNG 45 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NGUỒN PIN MẶT TRỜI THEO MƠ HÌNH ĐẦY ĐỦ 45 3.1 Cấu trúc điều khiển hệ thống 45 3.2 Cơ sở lý thuyết điều khiển mơ tả tốn học biến đổi 47 3.2.1Cơ sở lý thuyết điều khiển 47 3.2.1.1 Kỹ thuật điều khiển trượt biến đổi DC/DC 47 3.2.1.2 Kỹ thuật điều khiển điện áp trung bình 50 3.2.2Mơ tả tốn học biến đổi DC/DC buck 51 3.2.2.1 Bộ biến đổi DC/DC buck 51 3.2.2.2 Bộ biến đổi DC/DC boost 52 3.3 Điều khiển khai thác điểm công suất cực đại nguồn pin mặt trời theo mơ hình đầy đủ điều kiện vận hành 54 3.3.1 Phương pháp IB-SMC 54 3.3.1.1 Nguyên lý chung phương pháp IB-SMC .54 3.3.1.2 Phương pháp IB-SMC cho BBĐ DC/DC buck .55 3.3.1.3 Phương pháp IB-SMC cho BBĐ DC/DC boost 58 3.3.1.4 Chiến lược điều khiển BBĐ DC/DC theo phương pháp IB-SMC 60 -v- 3.3.1.5 Mô đánh giá phương pháp IB-SMC 62 3.3.2 Phương pháp IB-AVC 69 3.3.2.1 Nguyên lý chung phương pháp IB-AVC 69 3.3.2.2 Phương pháp IB-AVC cho BBĐ DC/DC buck 71 3.3.2.3 Phương pháp IB-AVC cho BBĐ DC/DC boost 73 3.3.2.4 Chiến lược điều khiển BBĐ DC/DC theo phương pháp IB-AVC 75 3.3.2.5 Kết mô phương pháp IB-AVC 77 3.3.3 So sánh hiệu lượng khả ứng dụng .81 3.4 Điều khiển ghép nối lưới cho nguồn pin mặt trời 86 3.4.1 Cấu trúc điều khiển ghép nối lưới .86 3.4.2 Mô hệ thống điều khiển ghép nối lưới cho nguồn pin mặt trời 87 3.5 Kết luận chương 97 CHƯƠNG 99 KIỂM CHỨNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TRÊN MƠ HÌNH THIẾT BỊ THỰC 99 4.1 Xây dựng mơ hình cấu trúc thiết bị thực 99 4.2 Các thiết bị 101 4.2.1 Cảm biến đo công suất xạ mặt trời 101 4.2.2 Cảm biến đo nhiệt độ 102 4.2.3 Ắc quy 102 4.2.4 Sơ đồ đấu nối mạch lực điều khiển 102 4.2.5 Lắp đặt thiết bị cài đặt 105 4.3 Phương thức vận hành mơ hình thiết bị thực 106 4.4 Kết thực nghiệm .109 4.4.1 Kiểm chứng tính xác giải pháp đề xuất 109 4.4.2 Đánh giá hiệu lượng giải pháp đề xuất 110 4.5 Kết luận chương 115 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 117 -vi- DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CĨ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ĐÃ CÔNG BỐ 119 TÀI LIỆU THAM KHẢO 120 PHỤ LỤC 132 -vii- KÝ HIỆU VIẾT TẮT Ký hiệu Cụm từ viết tắt tiếng Cụm từ viết tắt từ tiếng Việt tương đương Anh tương đương AC Dòng điện xoay chiều Alternative Current AI Trí thơng minh nhân tạo Artificial Intelligence ANN Mạng nơron nhân tạo Artificial Neural Network AVC Điều khiển điện áp trung bình Average Voltage Control BBĐ Bộ biến đổi điện tử cơng suất Power Converter CS Tín hiệu điều khiển Control Signal CV Điện áp không đổi Constant Voltage DC Dòng điện chiều Direct Current DCbus ESC Thanh điện áp chiều Điều khiển dò tìm cực trị Extremum seeking control FL Logic mờ Fuzzy Logic IB Kỹ thuật dò chia đơi Iterative and Bisectional technique Phương pháp dò chia đơi - Điều Iterative and Bisectional - Average khiển điện áp trung bình Voltage Control method Phương pháp dò chia đơi - Điều Iterative and Bisectional - Sliding khiển trượt Mode Control method INC Điện dẫn gia tăng Incermental Conductance MBA Máy biến áp Transformer MPP Điểm công suất cực đại Maximum Power Point Bộ bám điểm công suất cực đại Maximum Power Point Tracking OG Độ dốc tối ưu Optimal Gradient OV Điện áp hở mạch Open-Circuit Voltage P&O Dao động quan sát Perturb and Observe PSO Tối ưu bầy đàn Particle Swarm Optimization PVg Nguồn pin mặt trời, hệ thống pin Photovoltaic power generation, mặt trời, cell/module/panel/array Photovoltaic system, pin mặt trời, pin mặt trời Photovoltaic Cảm biến đo công suất xạ mặt module/panel/array, solar Pyranometer cell/module/panel/array IB-AVC IB-SMC MPPT PYR -viii- trời SC Dòng điện ngắn mạch Short-Circuit Current SMC Điều khiển trượt Sliding Mode Control STC Điều kiện vận hành tiêu chuẩn Standard Test Condition SW Khóa chuyển mạch Switch TempS Cảm biến đo nhiệt độ Temperature sensor THD Tổng độ méo sóng hài Total Harmonic Distorsion -ix- KÝ HIỆU Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa C F CTI %/ C mA/ C CTP %/ C CTV %/ C mV/ C Điện dung 0 0 Hệ số thay đổi Pmpp theo nhiệt độ D, d Hệ số thay đổi dòng điện theo nhiệt độ Hệ số thay đổi điện áp theo nhiệt độ Hệ số điều chế độ rộng xung trung bình tức thời fS kHz Tần số phát xung G W/m g 1/ I01, I0 A Dòng quang điện bão hòa Id1, Id A Dòng điện chạy qua diode PVg ig A Dòng điện pha tức thời điểm liên kết với lưới Ig A Biên độ dòng điện pha điểm liên kết với lưới IL, iL A Dòng điện trung bình tức thời qua cuộn cảm BBĐ Impp A Dòng điện MPP Ip1, Ip A Dòng điện chạy qua điện trở song song PVg Iph1, Iph A Dòng quang điện phát PVg ipv1, ipv, A Dòng điện tức thời trung bình phát từ PVg ISC1, ISC A Dòng điện ngắn mạch PVg k eV/K Hằng số Boltzmann Ka W/A Đánh giá độ trượt công suất theo dòng điện có Cơng suất xạ mặt trời Điện dẫn tải PVg Ipv ảnh hưởng đến dải trễ đường đặc tính cơng suất Đặc trưng cho dải trễ điện áp phát từ PVg, Kb Kc kVmppDC V/A Đánh giá độ trượt điện áp theo dòng điện Hệ số tương quan dòng điện MPP so với ISC Gc(s) uref ... QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Khái quát nguồn pin mặt trời 1.2 Cấu trúc chung hệ thống khai thác nguồn pin mặt trời 1.3 Tình hình nghiên cứu giới nước pin mặt trời .7... nghiên cứu giới nước pin mặt trời 1.3.1 Tình hình nghiên cứu giới Các nghiên cứu PVg tập trung vào toán nâng cao hiệu khai thác PVg, quản lý/điều tiết lượng, áp dụng biện pháp điều khiển để nâng. .. PVg Nguồn pin mặt trời, hệ thống pin Photovoltaic power generation, mặt trời, cell/module/panel/array Photovoltaic system, pin mặt trời, pin mặt trời Photovoltaic Cảm biến đo công suất xạ mặt