Nghiên cứu chế độ vận hành tối ưu cho hệ thống điện mặt trời quy mô nhỏ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI HUỲNH TẤN PHÁT NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH TỐI ƯU CHO HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI QUY MÔ NHỎ LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI, NĂM 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI HUỲNH TẤN PHÁT NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH TỐI ƯU CHO HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI QUY MÔ NHỎ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 60.52.02.02 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS Phạm Đức Đại HÀ NỘI, NĂM 2017 LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân tác giả Các kết nghiên cứu kết luận luận văn trung thực, không chép từ nguồn hình thức Việc tham khảo nguồn tài liệu thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Tác giả luận văn Huỳnh Tấn Phát i LỜI CÁM ƠN Tác giả xin trân trọng cám ơn Thầy hướng dẫn khoa học thầy khoa Năng lượng tận tình hướng dẫn suốt trình nghiên cứu đồng nghiệp trường Cao đẳng nghề Ninh Thuận giúp đỡ đóng góp ý kiến hồn thành luận văn ii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH v DANH MỤC BẢNG BIỂU vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vii MỞ ĐẦU viii CHƯƠNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP KHAI THÁC SỬ DỤNG .1 1.1 Nguồn lượng mặt trời 1.1.1 Bức xạ mặt trời 1.1.2 Nguồn gốc lượng mặt trời 1.2 Năng lượng mặt trời giới tiềm NLMT Việt Nam 1.2.1 Quá trình phát triển triển khai ứng dụng lượng mặt trời .4 1.2.2 Tình hình ứng dụng lượng mặt trời giới 1.2.3 Tiềm năng lượng mặt trời Việt Nam 1.3 Đặc điểm sản xuất nông nghiệp Ninh Thuận ảnh hưởng NLMT .11 1.4 Các phương pháp khai thác sử dụng lượng mặt trời 13 1.4.1 Cung cấp nước nóng lượng mặt trời 14 1.4.2 Cung cấp điện lượng mặt trời 15 1.4.3 Các phương pháp khai thác khác 15 1.5 Các công nghệ chế tạo pin lượng mặt trời 16 1.5.1 Cấu tạo pin mặt trời 16 1.5.2 Pin Silic tinh thể (Crytalline silicon solar cell) .17 1.5.3 Pin màng mỏng 18 1.5.4 Nguyên lý hoạt động pin mặt trời 18 1.5.5 Mạch điện tương đương tế bào quang điện .19 1.5.6 Điện áp hở mạch dòng ngắn mạch .20 1.6 Hệ thống điện mặt trời độc lập 21 1.7 Hệ thống điện mặt trời hoà lưới 23 CHƯƠNG TRỜI 2.1 MƠ HÌNH TỐN HỌC MƠ TẢ NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT 25 Mơ hình nguồn lượng mặt trời (PV generation model) 25 iii 2.1.1 Mơ hình dòng điện ngắn mạch .26 2.1.2 Mơ hình điện áp hở mạch .27 2.1.3 Mơ hình tính tốn cơng suất đầu pin mặt trời .28 2.1.4 Khảo sát phụ thuộc công suất đầu vào nhiệt độ độ xạ 38 2.2 Mơ hình nguồn dự trữ (Storage Battery) 41 2.2.1 Trạng thái sạc Acqui 41 2.2.2 Quá trình xả điện Acqui 43 2.2.3 Dung lượng Acqui 44 2.3 Mô hình nguồn lưới điện (Grid model) 44 2.4 Mơ hình tải (Loads) .45 2.5 Hệ thống kết nối NLMT, Acqui, lưới điện 45 2.5.1 Hoạt động hệ thống 45 2.5.2 Các điều kiện đảm bảo hoạt động hệ thống 46 2.5.3 Giám sát dòng lượng 48 CHƯƠNG XÂY DỰNG BÀI TOÁN VẬN HÀNH TỐI ƯU NGUỒN ĐIỆN MẶT TRỜI – NGUỒN LƯU TRỮ HOÀ VỚI LƯỚI ĐIỆN 50 3.1 Xây dựng ràng buộc vận hành .51 3.1.1 Các ràng buộc mạng lưới điện 51 3.1.2 Các ràng buộc chế độ vận hành cho mạng điện 51 3.2 Xây dựng hàm mục tiêu chi phí mua bán điện .54 3.3 Áp dụng tối ưu hoạt động cho hệ thống NLMT nối lưới cho mạng phụ tải nhỏ 57 3.3.1 Các thông số hệ thống NLMT nối lưới 57 3.3.2 Xây dựng mơ hình tính tốn mơ phần mềm GAMS 62 3.3.3 Kết tính tốn tối ưu 63 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ VỀ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO .69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 PHỤ LỤC 71 iv DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Cơng suất phát điện mặt trời hàng năm giai đoạn 2004-2013 toàn cầu [4] Hình 1.2 Đầu tư (tỷ USD) công suất điện PV (GW) xây dựng thêm hàng năm toàn cầu giai đoạn 2004-2013 [4] .8 Hình 1.3 Hệ thống cung cấp nước nóng NLMT theo kiểu đối lưu tự nhiên 14 Hình 1.4 Hình dạng thực tế cấu tạo pin mặt trời 16 Hình 1.5 Hiệu ứng quang điện 19 Hình 1.6 Mạch điện tương đương tế bào quang điện 19 Hình 1.7 Đặc điểm dòng áp tế bào quang điện lúc trời có nắng khơng .21 Hình 1.8 Hệ thống điện mặt trời độc lập 22 Hình 1.9 Hệ thống điện mặt trời hòa lưới 24 Hình 2.1 Sơ đồ tương đương pin mặt trời 25 Hình 2.2 Mơ hình dòng điện ngắn mạch 26 Hình 2.3 Mơ hình điện áp hở mạch 27 Hình 2.4 Cơng suất pin mặt trời theo thời điểm ngày 40 Hình 2.5 Sơ đồ hệ thống PV nối lưới kết hợp Acqui 45 Hình 3.1 Hệ thống với thiết bị đo công suất 50 Hình 3.3 Biểu đồ giá điện 62 Hình 3.4 Biểu đồ cơng suất mua điện lưới 63 Hình 3.6 Biểu đồ công suất lưới .64 Hình 3.7 Biểu đồ cơng suất nạp Acqui .65 Hình 3.8 Biểu đồ cơng suất xả Acqui 65 Hình 3.9 Biểu đồ cơng suất Acqui .66 Hình 3.10 Biểu đồ SOC Acqui 66 Hình 3.11 Biểu đồ cơng suất hệ thống 67 v DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Tốc độ tăng trưởng trung bình (%) cơng suất phát điện NLTT giai đoạn 2008-2013 năm 2013 [4] Bảng 1.2 Năng lượng mặt trời vùng lãnh thổ Việt Nam Bảng 2.1 Công suất, đặc tính PV cho nhà sản xuất theo điều kiện 29 Bảng 2.2 Các công thức tính cơng suất pin mặt trời [9] 30 Bảng 2.3 Thông số hệ số tính hiệu suất theo cơng thức: .34 Bảng 2.4 Bảng tính hiệu suất pin mặt trời theo nhiệt độ [9] 35 Bảng 2.5 Công suất pin MT theo nhiệt độ độ xạ ngày .39 Bảng 3.1 Thông số PV đo điều kiện chuẩn, sử dụng hệ thống PV 57 Bảng 3.2 Thông số Acqui sử dụng hệ thống lưu trữ 57 Bảng 3.3 Cấu hình hệ thống PV (Hệ 48 VDC) 58 Bảng 3.4 Các điều kiện ràng buộc cho hệ thống .58 Bảng 3.5 Công suất tải PV thay đổi ngày .59 Bảng 3.6 Giá mua bán điện ngày 61 vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT BXMT Bức xạ mặt trời MPP (Maximum Power Point) Điểm công suất lớn MT Mặt trời NL Năng lượng NLMT Năng lượng mặt trời NLTT Năng lượng tái tạo NOCT (Nominal Operating Cell Temperature) Nhiệt độ hoạt động danh định tế bào quang điện NTE (Nominal Terestrial Environment) Mơi trường ngồi trời danh định PV (Photovoltaic) Pin quang điện; pin mặt trời SOC (State of charge) Trạng thái sạc STC (Standard test condition) Điều kiện kiểm tra chuẩn vii MỞ ĐẦU Năng lượng tái tạo, có lượng mặt trời giới quan tâm nghiên cứu sử dụng Trên giới, nước phát triển có nhiều ứng dụng đời sống công nghiệp để thu nguồn lượng Với ưu điểm sẵn có, dồi dào, nguồn lượng sạch, thân thiện với môi trường, lượng mặt trời giải pháp thay cho nguồn lượng khác ngày cạn kiệt Trái Đất Tại nước phát triển, có Việt Nam việc sử dụng lượng mặt trời quan tâm khích lệ Hệ thống điện mặt trời mang tính khả thi cao, dễ thực hiện, đặc biệt hệ thống nhỏ Tuy nhiên hệ thống chưa phát huy mạnh chi phí vận hành, hệ thống nhỏ tập trung cấp điện chỗ, chưa xản xuất điện để bán lúc dư thừa Ngày 11/4/2017, Thủ tướng phủ ký định mua điện mặt trời với giá 2086 đồng/KWh, vậy, hệ thống điện mặt trời hồ lưới hai chế độ để bán thừa mua thiếu Việc phát triển lưới điện thông minh nhỏ (microgrid) bao gồm nguồn lượng mặt trời, Ắc qui (battery systems), nguồn điện lưới cần thiết nhằm - Giảm áp lực lên đường dây truyền tải điện cao điểm - Giảm tổn thất đường dây truyền tải tăng độ tin cậy cho mạng lưới cấp điện - Dễ quản lý vận hành, xử lý cố - Mang lại lợi ích kinh tế cho hộ sử dụng lượng mặt trời Để góp phần tích cực việc tận dụng nguồn lượng mặt trời phục vụ cho sản xuất nơng nghiệp sinh hoạt, đồng thời góp phần giảm thiểu nhiễm mơi trường Mục đích tối ưu việc sử dụng nguồn lượng mặt trời, nguồn lưu trữ, kết hợp với nguồn từ lưới điện đảm bảo cung cấp cho phụ tải cục với chi phí thấp Đề tài “Nghiên cứu chế độ vận hành tối ưu cho hệ thống điện mặt trời quy mô nhỏ” đặt giải phù hợp với nhu cầu kinh tế, phát triển nông nghiệp, bảo vệ môi trường viii 21:00 1550 1800 22:00 1550 1750 23:00 1550 1650 GIÁ BÁN GIÁ MUA Gíá điện (VND/kWh) 2500 2000 1500 1000 500 0 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Thời gian ngày (h) Hình 3.3 Biểu đồ giá điện ngày 3.3.2 Xây dựng mơ hình tính tốn mô phần mềm GAMS Phần mềm GAMS (Generalized Algebraic Modeling System – Hệ thống mơ hình đại số tổng quát) cho phép người dùng viết toán tối ưu hoá toán học cú pháp GAMS giải mơ hình tốn học thuật tốn có sẵn thư viện Bước công việc quan trọng việc giải vấn đề tối ưu hóa GAMS tạo mơ hình GAMS xác vấn đề tốn học Đây bước mơ hình hóa Khi mơ hình hồn tất, người dùng lựa chọn phương pháp thích hợp để giải mơ hình Khi tất thực tốt, bước liệt kê đưa kết thích hợp cho mơ hình Trong đề tài này, bước thực GAMS sau: - Mơ tả mơ hình ngơn ngữ GAMS - Mô tả ràng buộc hệ thống 62 - Cài đặt số liệu cho trước - Sử dụng thuật toán MIP để giải tốn tối ưu tuyến tính biến hổn hợp Chương trình tối ưu xậy dựng GAMS đính kèm phụ lục luận văn 3.3.3 Kết tính tốn tối ưu Thời gian tính tốn tối ưu 24h; khoảng thời gian lấy mẫu ( t ) 1h Bài toán MIP thiết lập phần mềm GAMS Bộ giải BARON sử dụng để giải toán MIP với kết sau: Giá trị hàm mục tiêu Thời gian tính tốn 1663654 15 phút 52 giây C ông suất lưới (W) - Công suất nhận từ lưới ( PGRID ) 2200 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 21 2 23 24 Thời gian ngày (h) Hình 3.4 Biểu đồ công suất mua điện lưới 63 - Công suất bán lên lưới ( PS ) 2200 2000 1800 Cô ng suất Ps (W ) 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 T hời gian ngày (h) Hình 3.5 Biểu đồ công suất bán điện lên lưới - Tổng hợp công suất lưới Công suất lưới (W) 2200 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 - 200 - 400 - 600 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 - 800 - 1000 - 1200 Thời gian ngày (h) Hình 3.6 Biểu đồ cơng suất lưới Hình 3.6, phần dương thể công suất mua, phần âm thể công suất bán Thời điểm từ 0h đến 7h, giá điện lưới thấp điện PV nên hệ thống sử dụng điện lưới thời điểm Acquy có 50% dung lượng ko xuất bán chưa đến thời điểm nhận công suất từ PV giá điện PV lúc chưa cao 64 Từ 7h, giá điện lưới tăng lên đồng thời giá điện PV tăng theo nên hệ thống xuất bán từ Acqui phần cung cấp cho tải Tương tự cho thời điểm bán từ 20h đến 22h, lúc giá điện PV tăng cao Như vậy, thời điểm bán mua điện hệ thống hợp lý Công suất nạp Acqui (W )  - Công suất nạp vào Acqui ( PBAT ) 2200 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Thời gian ngày (h) Hình 3.7 Biểu đồ công suất nạp Acqui Cô n g su ất n ạp Acq u i (W )  - Công suất xả từ Acqui ( PBAT ) 2200 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Thời gian ngày (h) Hình 3.8 Biểu đồ công suất xả Acqui 65 - Tổng hợp công suất Acqui 2200 2000 1800 1600 Công suất lưới (W) 1400 1200 1000 800 600 400 200 -200 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 -400 -600 -800 Thời gian ngày (h) Hình 3.9 Biểu đồ cơng suất Acqui Trong hình 3.9, phần dương thể cơng suất xả phần âm thể công suất nạp Acqui - Quá trình nạp xả (phần trăm dung lượng) Acquy 0.9 0.8 SOC (% ) 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Thời gian ngày (h) Hình 3.10 Biểu đồ SOC Acqui Acqui nạp điện từ PV, không nạp từ lưới nên cần cài đặt giá trị dung lượng mức an toàn thời gian khơng có điện từ PV 50%, dự phòng cho hệ thống 66 tải biến thiên liên tục khơng biết trước Kết từ hình 3.10 phù hợp với điều kiện ràng buộc Trước nhận công suất từ PV, Acqui xả điện vào thời gian hợp lý nhất, cụ thể từ 7h đến 8h Nạp điện 90% (giá trị cài đặt lớn nhất) trước khơng nhận cơng suất từ PV xả điện thời gian hợp lý, cuối ngày dung lượng dự phòng lại 50% Công suất nạp xả tối đa 655W 1011W, tương ứng với dòng nạp xả 13,6A 21A Các giá trị không vượt giới hạn cho phép - Tổng hợp cơng suất hệ thống hình 3.11 cho thấy tổng quan cân công suất hệ thống GRID BAT LOADS Công suất (W) PV 2200 2000 18 0 16 0 14 0 12 0 10 0 800 600 400 200 - 200 - 400 - 600 - 800 - 10 0 - 12 0 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 2 2 T hời gian t rong ngày (h) Hình 3.11 Biểu đồ cơng suất hệ thống - Lợi ích tài cho người sử dụng hệ thống Với việc sử dụng kết hợp hệ thống PV nối lưới có lưu trữ, người dùng sản xuất điện cung cấp cho bán lên lưới thừa (đối với hệ thống sử dụng), hay lựa chọn thời điểm để mua bán cho có lợi 67 (hệ thống có sử dụng phương pháp tối ưu hoá) Kết hệ thống giải pháp tối ưu cho người sử dụng với giá trị tối ưu cuối cùng: 1663,654 VND - Ổn định lưới điện: Ổn định lưới điện yêu cầu thiết thực từ hệ thống điện lưới Từ kết số liệu mơ cho thấy khơng có hệ thống lưới điện phải cung cấp cơng suất cho tải vào lúc 12h 2000W, sử dụng hệ thống cơng suất mà lưới cung cấp tối đa 1088W (giá trị không vượt giới hạn cho phép nhận từ lưới) Đồng thời công suất PV từ hệ thống đưa vào lưới giúp giảm gánh nặng cho lưới điện, ổn định lưới gián tiếp giảm thiểu ô nhiễm môi trường từ việc sản xuất điện tài nguyên khác 68 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ VỀ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO  Những kết đạt luận văn Mơ hình xây dựng cho hệ thống điện mặt trời nối lưới có lưu trữ với quy mơ nhỏ Từ yêu cầu thực tế dự đoán biến động lượng tái tạo tương lai Mơ hình giải u cầu thuật toán MILP để xây dựng vấn đề tối ưu hố có kết khả quan từ việc tính tốn mơ để tối ưu hố chi phí vận hành cho hệ thống Việc đầu tư cho nhà máy lượng mặt trời quy mô lớn gặp nhiều trở ngại tài hệ thống qui mô nhỏ dễ đầu tư phát huy hiệu cung cấp điện chỗ tốt Từ kết thu cho thấy hệ thống mang tính khả thi cao, phù hợp với nhu cầu phát triển lượng tái tạo, góp phần ổn định hệ thống điện tương lai  Đề xuất kiến nghị nghiên cứu từ kết luận văn - Xây dựng mơ hình dự báo tính cơng suất lượng mặt trời PV - Xây dựng mơ hình điều khiển dự báo q trình nạp phóng Acqui - Áp dụng kết nghiên cứu, thiết kế thiết bị đáp ứng nhu cầu ứng dụng vào thực tiễn 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hồ Sĩ Thoảng, Trần Mạnh Trí , “Năng lượng kỷ 21: Tiềm thách thức”, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2008 [2] Nguyễn Đình Đáp, “Nghiên cứu sử dụng thiết bị đun nước nóng lượng mặt trời phục vụ sinh hoạt”, Luận văn Thạc sĩ, 2013 [3] https://solarpower.vn/ [4] PGS TS Đặng Đình Thống, “Phát triển ứng dụng công nghệ lượng mặt trời”, Hiệp hội lượng việt Nam, 2015 [5] http://www.evn.com.vn/ [6] Lê Kim Hùng, “Tiềm ứng dụng lượng mặt trời tỉnh Ninh Thuận”, Sở Khoa học công nghệ Ninh Thuận, 2017 [7] Mukund R.Patel, “Wind and Solar Power Systems Design, Analysis, and Operation”, second edition, 2006 Yann Riffonneau et al, “Optimal Power Flow Management for Grid Connected [8] PV Systems With Batteries”, IEEE Transactions on sustainable energy, vol.2, no.3, 2011 E Skoplaki, J.A Palyvos, “On the temperature dependence of photovoltaic module electrical performance: A review of e ciency/power correlations”, Solar [9] Engineering Unit, School of Chemical Engineering, National Technical University of Athens, Zografos Campus, 15780 Athens, Attica, Greece, 2008 P.L Zervas, H Sarimveis, J.A Palyvos, N.C.G Markatos, “Model-based optimal control of a hybrid power generation system consisting of photovoltaic arrays and [10] fuel cells”, National Technical University of Athens, School of Chemical Engineering, Zografou University Campus, 2007 D.P Jenkins, J Fletcher, D Kane, “Model for evaluating impact of battery [11] storage on microgeneration systems in dwellings”, Energy Academy, HeriotWatt University, Riccarton, Edinburgh EH14 4AS, UK, 2008 T.T Ha Pham, F Wurtz, S Bacha, “Optimal operation of a PV based multi[12] source system and energy management for household application”, Grenoble Electrical Engineering Laboratory (G2ELAB) CNRS - INPG / UJF [13] M Burnig and E Di Nardo, “The State of Charge Estimating Methods for Battery”, 2013 Abebe Geletu, “GAMS -Modeling and Solving Optimization Problems”, Institute [14] of Mathematics, Department of Operations Research & Stochastic, Ilmenau University of Technology, 2008 70 PHỤ LỤC  Chương trình phần mềm GAMS                                             71                                                    72                                                    73                                                    74                                                   75                                                  76 ... lượng mặt trời, nguồn lưu trữ, kết hợp với nguồn từ lưới điện đảm bảo cung cấp cho phụ tải cục với chi phí thấp Đề tài Nghiên cứu chế độ vận hành tối ưu cho hệ thống điện mặt trời quy mô nhỏ ... NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI HUỲNH TẤN PHÁT NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH TỐI ƯU CHO HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI QUY MÔ NHỎ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 60.52.02.02 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC... ngành Bưu điện có ứng dụng điện mặt trời (hệ độc lập) để cấp điện cho Bưu cục xã vùng sâu, vùng xa tỉnh chưa có lưới điện quốc gia Năm 2006 – 2007, thực Dự án nghiên cứu ứng dụng công nghệ điện mặt