Điều khiển tối ưu công suất của hệ thống pin quang điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM - VÕ VĂN HOÀNG KIM ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT CỦA HỆ THỐNG PIN QUANG ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số ngành: 60520202 TP HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM - VÕ VĂN HỒNG KIM ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CƠNG SUẤT CỦA HỆ THỐNG PIN QUANG ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số ngành: 60520202 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS HUỲNH CHÂU DUY TP HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2018 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ TP HCM Cán hướng dẫn khoa học : ……………………………………… (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn Thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Công nghệ Tp HCM ngày … tháng … năm … Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ) T T1 C h Phả biệ Phả biệ Ủ viên Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau Luận văn sửa chữa (nếu có) Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ TP.HCM CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC Độc lập – Tự – Hạnh phúc Tp HCM, ngày tháng năm 2018 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: VÕ VĂN HỒNG KIM Giới tính: NAM Ngày, tháng, năm sinh: Nơi sinh: Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN MSHV: I- Tên đề tài: ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT CỦA HỆ THỐNG PIN QUANG ĐIỆN II- Nhiệm vụ nội dung: - Khảo sát tình hình khai thác sử dụng lượng điện mặt trời - Nghiên cứu pin quang điện hệ thống pin quang điện - Nghiên cứu giải thuật điều khiển tối ưu công suất hệ thống pin quang điện - Mô điều khiển tối ưu công suất hệ thống pin quang điện III- Ngày giao nhiệm vụ: IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: V- Cán hướng dẫn: PGS TS HUỲNH CHÂU DUY CÁN BỘ HUỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) LỜI CAM ÐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu Luận văn trung thực chưa đuợc công bố cơng trình khác Tơi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực Luận văn đuợc cảm ơn thông tin trích dẫn Luận văn đuợc rõ nguồn gốc Học viên thực Luận văn Võ Văn Hoàng Kim LỜI CÁM ƠN Đầu tiên, em xin chân thành cám ơn Thầy Cô Trường Đại học Công nghệ Tp HCM, Viện Đào tạo Sau đại học, Viện Khoa học Kỹ thuật hỗ trợ, tạo điều kiện thuận lợi cho em hồn thành khóa học đề tài luận văn Đặc biệt, em xin chân thành cám ơn Thầy, PGS TS HUỲNH CHÂU DUY tận tình hướng dẫn, giúp đỡ đóng góp ý kiến quý báo cho việc hoàn thành Luận văn Cuối cùng, em xin cảm ơn tập thể lớp 16SMĐ11, đồng nghiệp gia đình giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho trình thực Luận văn em Võ Văn Hồng Kim Tóm tắt Vấn đề cạn kiệt 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 Có thể nhận thấy rằng, lượng mặt trời nguồn lượng không giống nguồn lượng khác mà khai thác trái đất Nếu tận dụng nguồn lượng mặt trời để phục vụ cho nhu cầu lượng điện mục tiêu cần phải đạt nhà khoa học Một ứng dụng từ nguồn lượng mặt trời sản xuất lượng điện thông qua hệ thống pin quang điện (Photovoltaic, PV) Trong hệ thống pin quang điện tồn vài nhược điểm lớn sau: - Hiệu suất chuyển đổi lượng mặt trời thành lượng điện tương đối thấp (9 ÷ 17%); - Năng lượng điện tạo hệ thống pin quang điện thay đổi liên tục điều kiện thời tiết khác Chính lý trên, đề tài “Điều khiển tối ưu công suất hệ thống pin quang điện” lựa chọn thực luận văn mà bao gồm nội dung sau: + Chương 1: Giới thiệu + Chương 2: Hệ thống pin quang điện + Chương 3: Điều khiển tối ưu công suất hệ thống pin quang điện + Chương 4: Mô điều khiển tối ưu công suất hệ thống pin quang điện + Chương 5: Kết luận hướng phát triển tương lai Abstract The problem of electricity depletion has been and is being paid special attention by the world in general and Vietnam in particular To address this problem, there are many proposals for the use of different forms of energy to generate electricity, in the form of renewable energy One of them is solar It can be seen that solar energy is a clean energy source unlike any other energy source that we are exploiting on earth If solar energy is efficiently used to meet your electricity needs, this is one of the goals that scientists need One of the main applications from solar power is the production of electricity through photovoltaic (PV) systems In these photovoltaic systems, there are several major shortcomings: - The conversion efficiency of solar energy into electrical energy is relatively low (9 ÷ 17%); - The electrical energy generated by the photovoltaic system is constantly changing under different weather conditions For the above reasons, the thesis "Optimal power control of a solar photovoltaic system" is selected and implemented which includes the following contents: + Chapter 1: Introduction + Chapter 2: Solar photovoltaic system + Chapter 3: Optimal power control of a solar photovoltaic system + Chapter 4: Simulation results of optimal power control of a solar photovoltaic system + Chapter 5: Conclusions and future works i MỤC LỤC Mục lục i Danh sách hình vẽ iv Danh sách bảng ix 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 Tổng quan tình hình nghiên cứu 1.7.1 Tình hình nghiên cứu nước ngồi 1.7.2 Tình hình nghiên cứu nước 1.8 Bố cục luận văn Chương - Hệ thống pin quang điện 2.1 Giới thiệu mặt trời 2.2 Quỹ đạo trái đất quanh mặt trời 10 2.3 Góc cao độ mặt trời vào buổi trưa 11 2.4 Bức xạ mặt trời 13 2.5 Pin quang điện 17 2.5.1 Giới thiệu 17 2.5.2 Phân loại pin quang điện 19 2.5.3 Mơ hình toán pin quang điện 20 i 2.6 Module pin quang điện 23 2.7 Mảng pin quang điện 24 2.8 Các ảnh hưởng đến pin quang điện 26 900 × × × PMPP = 823 W PMPP = 772 W PMPP = 754 W 800 700 Cong suat cua he PV, Ppv(W) Nhiệt độ, T = 15 C Nhiệt độ, T = 30 C Nhiệt độ, T = 35 C 300 200 100 0 20 40 60 80 100 120 Dien ap cua he PV, Vpv(V) 140 160 180 Hình 4.13 Đặc tuyến V-P tương ứng với điều kiện cường độ xạ 0 không đổi, 0,8 kW/m nhiệt độ thay đổi, 15 C; 30 C 35 C 4.5.1 Cường độ xạ, 0,8 kW/m nhiệt độ, 15 C Các mô tiếp tục thực tương ứng với điều kiện cường độ xạ không đổi nhiệt độ thay đổi, cụ thể: cường độ xạ, 0,8 kW/m nhiệt độ, 15 C Khi ấy, điểm công suất cực đại PMPP = 823 W, Hình 4.14 900 W P MPP82 = × 800 700 Cong suat cua he PV, Ppv(W) 600 500 400 300 200 100 0 20 40 60 80 100 120 Dien ap cua he PV, Vpv(V) 140 160 180 200 Hình 4.14 Đặc tuyến V-P hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện cường độ xạ, 0,8 kW/m nhiệt độ, 15 C 900 800 700 Cong suat cua he PV, Ppv(W) 600 500 400 300 200 100 0 0.5 0.6 0.7 Thoi gian, t(s) 0.8 0.9 Hình 4.15 Cơng suất hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện cường độ xạ, 0,8 kW/m nhiệt độ, 15 C sử dụng thuật toán InC cải tiến Hình 4.15 cho thấy khả bám điểm cơng suất cực đại thuật toán InC cải tiến hệ thống pin quang điện tốt Hệ thống pin quang điện luôn vận hành tối ưu tương ứng điểm công suất cực đại, PMPP = 823W, Bảng 4.3 4.5.2 Cường độ xạ, 0,8 kW/m nhiệt độ, 30 C Các mô tiếp tục thực tương ứng với điều kiện cường độ xạ không đổi nhiệt độ thay đổi, cụ thể: cường độ xạ, 0,8 kW/m nhiệt độ, 30 C Khi ấy, điểm cơng suất cực đại PMPP = 772 W, Hình 4.16 800 PPP = W M 700 × Cong suat PV, ppv (W) 600 500 400 300 200 100 0 20 40 60 80 100 120 Dien ap PV, vpv (V) 140 160 180 Hình 4.16 Đặc tuyến V-P hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện cường độ xạ, 0,8 kW/m nhiệt độ, 30 C Hình 4.17 cho thấy khả bám điểm công suất cực đại thuật toán InC cải tiến hệ thống pin quang điện tốt Hệ thống pin quang điện luôn vận hành tối ưu tương ứng điểm công suất cực đại, PMPP = 772W, Bảng 4.3 800 Cong suat cua he PV, Ppv(W) 700 600 500 400 300 200 100 0 0.5 0.6 0.7 Thoi gian, t(s) 0.8 0.9 Hình 4.17 Cơng suất hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện cường xạ, 0,8 kW/m nhiệt độ, 30 C sử dụng thuật toán InC cải tiến 4.5.3 Cường độ xạ, 0,8 kW/m nhiệt độ, 35 C Các mô tiếp tục thực tương ứng với điều kiện xạ không đổi nhiệt độ thay đổi, cụ thể: cường độ xạ, 0,8 kW/m nhiệt độ, 35 C Khi ấy, điểm công suất cực đại PMPP = 754 W, Hình 4.18 800 PPP 54 M= W 700 × Cong suat PV, ppv (W) 600 500 400 300 200 100 0 20 40 60 80 100 120 Dien ap PV, vpv (V) 140 160 180 Hình 4.18 Đặc tuyến V-P hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện cường độ xạ, 0,8 kW/m nhiệt độ, 35 C Hình 4.19 cho thấy khả bám điểm cơng suất cực đại thuật toán InC hệ thống pin quang điện tốt Hệ thống pin quang điện luôn vận hành tối ưu tương ứng điểm công suất cực đại, PMPP = 754 W, Bảng 4.3 800 700 600 Cong suat cua he PV, Ppv(W) 500 400 300 200 100 0 0.5 0.6 0.7 Thoi gian, t(s) 0.8 0.9 Hình 4.19 Công suất hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện cường độ xạ, 0,8 kW/m nhiệt độ, 35 C Từ kết mơ Hình 4.15, 4.17 4.19 cho thấy khả vận hành tối ưu hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện nhiệt độ khác Công suất thu hệ thống pin quang điện luôn bám công suất cực đại mà đạt từ hệ thống điều kiện vận hành khác 4.6 Mô với điều kiện cường độ xạ nhiệt độ thay đổi Trong điều kiện cường độ xạ nhiệt độ thay đổi Bảng 4.4, hệ thống pin quang điện cần phải trì chế độ vận hành tối ưu sở công suất thu từ hệ thống cực đại, có nghĩa ln bám điểm cơng suất cực đại Điểm công suất cực đại tương ứng với điều kiện thể Bảng 4.4 Bảng 4.4 Điểm công suất cực đại tương ứng với điều kiện cường độ xạ nhiệt độ khác T C Đ T hiiể m c 1 n 10 00 20, 77 30, 75 40, 58 Cường độ xạ thay đổi Hình 4.20 mà thay đổi từ 0,6 - kW/m Theo lý thuyết nghiên cứu, hệ pin quang điện phát công suất theo điều kiện cường độ xạ Cường độ xạ lớn cơng suất phát từ hệ pin quang điện lớn Rõ ràng rằng, kết mô phù hợp với lý thuyết nghiên cứu Ngoài ra, nhận thấy rằng, cường độ xạ yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến công suất phát hệ pin quang điện 1.2 1.1 Cuong buc xa, G(kW/m2) G = kW/m 0.9 G = 0,8 kW/m 0.7 G = 0,6 kW/m 0.5 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 Thoi gian, t(s) 1.4 1.6 1.8 Hình 4.20 Cường độ xạ thay đổi, 0,6 - (kW/m ) 40 38 36 T35 Nhiet do, T(0C) 34 32 T= C 30 30 28 26 24 T = C 25 T25 C 22 20 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 Thoi gian, t(s) 1.4 1.6 1.8 Hình 4.21 Nhiệt độ thay đổi, 25 - 35 ( C) Nhiệt độ thay đổi từ 25 - 35 C Hình 4.21 Theo lý thuyết nghiên cứu, điều kiện cường độ xạ, nhiệt độ lớn cơng suất phát hệ pin quang điện nhỏ Điều giải thích nhiệt độ tăng điện áp hệ pin quang điện giảm cường độ dòng điện hệ pin quang điện gần không đổi Khi ấy, công suất hệ pin quang điện giảm Một lần nữa, rõ ràng rằng, kết mô phù hợp với lý thuyết nghiên cứu G = kW/m T = 25 C PMPP = 1000 W 1000 950 Cong suat cua he PV, Ppv(W) 900 G = 0,8 kW/m T = 30 C PMPP = 772 W 850 800 G = 0,8 kW/m T = 35 0C PMPP = 754 W 750 700 G = 0,6 kW/m T = 25 C PMPP = 581 W 650 600 550 0.4 0.6 0.8 1.2 Thoi gian, t(s) 1.4 1.6 1.8 Hình 4.22 Cơng suất hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện cường độ xạ nhiệt độ thay đổi sử dụng thuật tốn InC cải tiến Hình 4.22 cho thấy thuật tốn InC cải tiến ln ln hỗ trợ cho hệ thống pin quang điện vận hành tối ưu điều kiện cường độ xạ nhiệt độ thay đổi Điều có nghĩa thuật tốn bám điểm cơng suất cực đại, InC cải tiến đề xuất luận văn thể ý nghĩa khoa học thực tiễn tốn điều khiển tối ưu hệ thống pin quang điện Chương Kết luận hướng phát triển tương lai 5.1 Kết luận Luận văn hồn thành: - Khảo sát tình hình khai thác sử dụng lượng mặt trời Việt Nam - Nghiên cứu đặc tuyến làm việc pin quang điện bao gồm đặc tuyến V-I đặc tuyến V-P - Mô pin quang điện điều kiện thay đổi cường độ xạ nhiệt độ - Nghiên cứu xây dựng hệ thống pin quang điện - Mô nguyên lý làm việc hệ thống pin quang điện - Nghiên cứu điều khiển tối ưu hệ thống pin quang điện thuật tốn bám điểm cơng suất cực đại đề xuất mà cải tiến từ thuật tốn InC - Mơ điều khiển tối ưu công suất hệ thống pin quang điện thuật tốn bám điểm cơng suất cực đại InC cải tiến Các kết mô đạt cho thấy tính khả thi thuật tốn InC cải tiến đề xuất toán điều khiển tối ưu công suất hệ thống pin quang điện 5.2 Hướng phát triển tương lai - Đề xuất thuật toán khác để nâng cao hiệu điều khiển bám điểm công suất cực đại hệ thống pin quang điện - Khảo sát hệ thống pin quang điện điều kiện làm việc khác xạ thay đổi nhanh, tượng bóng râm, - Kiểm tra đề xuất kết đạt thông qua kết thực nghiệm Tài liệu tham khảo [1] Huỳnh Châu Duy Hồ Đắc Lộc, Năng lượng tái tạo bảo vệ môi trường, Nhà xuất Đại học Quốc gia Tp HCM, 2016 [2] Đặng Đình Thống, Cơ sở lượng tái tạo, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2006 [3] J Jiang, T Huang, Y Hsiao, and C Chen, “Maximum power tracking for photovoltaic for power systems”, Tamkang Journal of Science and Engineering, Vol 8, No 2, 2005 [4] D Sera, T Kerekes, R Teodorescu and F Blaabjerg, “Improved MPPT algorithms for rapidly changing environmental conditions”, IEEE Conference, 2008 [5] M A Younis, T Khatib, M Najeeb and A M Ariffin, “An improved maximum power point tracking controller for PV systems using Artificial neural network”, Malaysian Journal, 2012 [6] B Das, A Jamatia, A Chakraborti, P R Kasari and M Bhowmik, “New perturb and observe MPPT algorithm and its validation using data from PV module”, International Journal of Advances in Engineering and Technology, IJAET, Vol.4, Iss 1, pp 579-591, 2012 [7] G Deb and A B Roy, “Use of solar tracking system for extracting solar energy”, International Journal of Computer and Electrical Engineering, Vol 4, No 1, pp 42-46, 2012 [8] T Tudorache, C D Oancea, L Kreindler, “Performance evaluation of solar tracking PV panel”, U P B Sci Bull, Vol 74, Iss 1, pp 3-10, 2012 [9] J Rizk and Y Chaiko, “Solar tracking system: more efficient use of solar panels”, World Academy of Science, Engineering and Technology, Vol 41, pp 313-315, 2008 [10] N Barsoum, P Vasant, “Simplified solar tracking prototype”, Global Journal on Technology & Optimization, Vol 1, pp 38-45, 2010 [11] Thân Ngọc Hoàn, “Năng lượng điện mặt trời phương pháp nâng cao chất lượng hiệu suất”, Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng Hải, số 18, trang 73 - 79, 2009 [12] Hà Thị Thu Phương, Nguyễn Tiến Thu, Hồ Phạm Huy Ánh Cao Văn Kiên, “Tối ưu công suất MPPT nguồn quang PV dùng thuật tốn P&O mờ thích nghi”, Hội nghị tồn quốc lần thứ Cơ Điện Tử - VCM - 2016, trang 1-9, 2016 [13] Phạm Văn Để, Điều khiển tối ưu hệ thống pin quang điện, Luận văn Thạc Sĩ, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp HCM, 2014 [14] Trầm Minh Tuấn, Nghiên cứu thiết kế hệ thống điện mặt trời thích nghi tối ưu, Luận văn Thạc Sĩ, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp HCM, 2013 [15] Nguyễn Mạnh Tường, Điều khiển bám điểm công suất cực đại hệ pin quang điện mặt trời có xét đến hiệu ứng bóng râm, Luận văn Thạc Sĩ, Trường Đại học Bách Khoa Tp HCM, 2014 [16] G M Master, Renewable and efficient electric power systems, A John Wiley & Sons, Inc., Publication, 2004 [17] D P Hohm and M E Ropp, “Comparative study of maximum power point tracking algorithms”, IEEE Conference, 2008 ... cứu pin quang điện hệ thống pin quang điện - Nghiên cứu giải thuật điều khiển tối ưu công suất hệ thống pin quang điện - Mô điều khiển tối ưu công suất hệ thống pin quang điện III- Ngày giao... liệu điều khiển tối ưu công suất hệ thống pin quang điện - Phân tích, tổng hợp đề xuất giải thuật điều khiển tối ưu công suất hệ thống pin quang điện 1.7 Tổng quan tình hình nghiên cứu Kỹ thuật điều. .. + Chương 2: Hệ thống pin quang điện + Chương 3: Điều khiển tối ưu công suất hệ thống pin quang điện + Chương 4: Mô điều khiển tối ưu công suất hệ thống pin quang điện + Chương 5: Kết luận hướng