Luận văn nghiên cứu và phát triển hệ thống năng lượng điện mặt trời

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP HỒ CHÍ MINH NHỮ KHẢI HỒN NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 9520216 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH – 2019 Cơng trình hồn thành Trường Đại học Giao Thông Vận Tải Thành Phố Hồ Chí Minh Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS ĐỒNG VĂN HƯỚNG Người hướng dẫn khoa học 2: TS PHẠM CÔNG THÀNH Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp trường tại: Trường Đại học Giao Thông Vận Tải Thành Phố Hồ Chí Minh Có thể tìm hiểu luận án thư viện: - Thư viện Trường Đại học Giao Thơng Vận Tải Thành Phố Hồ Chí Minh CHƯƠNG GIỚI THIỆU 1.1 Lý chọn đề tài Năng lượng mặt trời (NLMT) biết đến nguồn lượng xanh vô tận Trong kỷ 21, NLMT ngày trở nên nguồn lượng quan trọng người [1, 110] So với nguồn lượng khác thủy điện, phong điện, nhiệt điện, điện hạt nhân… NLMT có đặc điểm: khơng nhiễm mơi trường, độ an tồn cao, nguồn lượng vơ tận, phân bố nơi dải công suất (từ vài chục W đến hàng trăm MW) Nếu 0.1% lượng mặt trời diện tích tồn cầu chuyển hóa thành điện với hiệu suất 5%, năm ước tính đạt 5.6×1012 kWh, tương đương với 40 lần điện toàn cầu [1, 2] Nhằm đẩy mạnh khai thác sử dụng có hiệu nguồn lượng Mặt Trời, Thủ tướng Chính phủ ban hành Quyết định số 11/2017/QĐ-TTg chế khuyến khích phát triển dự án điện Mặt Trời Việt Nam Đây coi hướng mở, “cú huých” phát triển nguồn lượng Chính việc nghiên cứu phát triển hệ thống lượng điện mặt trời việc cần thiết cấp bách Trải qua nhiều năm nghiên cứu, hệ thống NLMT ngày hồn thiện Có thể thấy số xu hướng nghiên cứu phát triển hệ NLMT như: nâng cao hiệu suất quang - điện, xây dựng hệ thống công suất lớn, thiết lập hệ thống mạng điện song song an toàn… Trong tương lai nguồn NLMT trở thành nguồn lượng bổ sung cho nguồn lượng dần cạn kiệt như: than, dầu khí, nước 1.2 Mục tiêu nội dung thực luận án Mục tiêu luận án nghiên cứu thiết kế tối ưu công suất cho hệ thống lượng điện mặt trời, làm cho hệ thống làm việc đạt hiệu suất cao Trên sở nội dung chương trình nghiên cứu sau:  Tìm hiểu tổng quan hệ thống lượng điện mặt trời  Xây dựng mơ hình hệ thống lượng điện mặt trời bao gồm thành phần hệ thống như: PV cell, DC/DC converter, biến tần SVPWM, hệ thống đo lường điều khiển…  Nghiên cứu đưa thuật toán-giải pháp để điều khiển thu nhận công suất solar cực đại (MPPT- Maximum Power Point Tracking)  Xây dựng mơ hình mơ hệ thống máy tính  Thiết kế mơ hình hệ thống NLMT điều khiển tự động hòa lưới có kiểm sốt giám sát, hệ thống bao gồm: boost điện áp DC, biến tần SVPWM, board điều khiển, thuật toán điều chế biến tần-điều khiển giám sát hệ thống… 1.3 Đối tượng phương pháp nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu hệ thống lượng điện mặt trời Để thực mục tiêu đề tác giả thực công đoạn chính: nghiên cứu lý thuyết hệ thống lượng điện mặt trời, nghiên cứu thuật toán để giải tốn tối ưu cơng suất hệ thống điện mặt trời từ đưa thuật toán để phát triển hệ thống theo hướng tối ưu hơn, tiến hành mô hệ thống lượng điện mặt trời phần mềm Matlab, sau thực thiết kế hệ thống thực nối lưới Phương pháp nghiên cứu gồm : nghiên cứu tài liệu , mơ hình hóa, phân tích đánh giá thực nghiệm 1.4 Điểm luận án Nghiên cứu đề xuất cải tiến phát triển cho thuật toán INC áp dụng điều khiển MPPT hệ thống PV để hệ thống tìm điểm cơng suất cực đại hội tụ nhanh hơn, dao động quanh điểm cơng suất cực đại hẹp hơn; giảm thiểu hao tổn công suất phát dao động quanh điểm công suất cực đại, hiệu suất cao Nghiên cứu đề xuất áp dụng thuật toán mới, thuật toán tối ưu bày đàn vi phân (DPSO) thuật toán tối ưu bày đàn nhiễu loại (PPSO) áp dụng điều khiển MPPT để cải thiện hiệu hoạt động hệ thống PV Kỹ thuật điều khiển MPPT dựa thuật toán DPSO PPSO thử nghiệm thành cơng mơ hình hệ thống Hơn nữa, kết so sánh với kết thu từ MPPT áp dụng thuật toán truyền thống, để chứng minh khả loại bỏ nhược điểm áp dụng thuật toán truyền thống cho điều khiển MPPT hệ thống PV Nghiên cứu chế tạo thiết bị thực nghiệm hệ thống lượng điện mặt trời nối lưới Hệ thống chạy ổn định việc cho phép thực nghiệm hệ thống lượng điện mặt trời hệ thống sử dụng với mục đích nghiên cứu phát triển dự án lập trình điều khiển ứng dụng nghiên cứu phát triển hệ thống lượng điện mặt trời 1.5 Ý nghĩa khoa học thực tiễn - Về mặt khoa học: Nghiên cứu đề xuất thuật toán áp dụng cho điều khiển MPPT hệ thống lượng mặt trời nhằm cải thiện hoạt động hệ thống làm cho hệ thống đạt hiệu suất tốt - Về mặt thực tiễn: Kiểm chứng khả ứng dụng thực tế giải thuật đề xuất cho điều khiển MPPT hệ thống PV công cụ phần mềm hệ thống thực nghiệm 1.6 Bố cục luận án Bố cục luận án bao gồm chương sau: Chương 1: Giới thiệu Chương 2: Tổng quan hệ thống lượng điện mặt trời Chương : Nghiên cứu phát triển điều khiển bám điểm công suất cực đại hệ thống điện mặt trời Chương : Mơ kiểm chứng thuật tốn MPPT phát triển cho hệ thống lượng điện mặt trời Chương 5: Thiết kế chế tạo hệ thống thực nghiệm lượng điện mặt trời Chương : Kết luận phương hướng phát triển CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI 1.1 Tổng quan chung hệ thống NLMT Hệ thống PV hệ thống dùng để thu thập, chuyển đổi lượng mặt trời thành lượng điện DC AC theo nhu cầu sử dụng Hệ thống PV đa dạng tùy theo yêu cầu thực tiễn để có cấu trúc phù hợp, chia thành dạng hệ thống kết nối lưới, hệ thống độc lập hệ thống lai 2.1.1 Hệ thống điện NLMT nối lưới Hệ thống lượng mặt trời ghép nối với lưới điện thực chất loại hệ thống phát điện phân bố lưới điện Cấu trúc hệ thống NLMT có nhiều dạng, nhiên thực tế phổ biến thông thường có hai dạng cấu trúc: dạng cấu trúc đơn cấp cấu trúc lưỡng cấp Phụ tải PV panel SVPWM inverter V, I phase phase PWM Controller Microcontroller SCR, TRIAC Hòa lưới ON/OFF U,I phase, frequency Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống PV đơn cấp Lưới điện Phụ tải PV panel phase phase SCR, TRIAC Hòa lưới Filter U,I phase, frequency PWM V, I DC/AC SVPWM inverter PWM DC/DC Buck-boost converter MPPT Controller, SVPWM Microcontroller Lưới điện ON/OFF U,I phase, frequency Hình 2.2 Hệ thống PV lưỡng cấp 2.1.2 Hệ thống điện NLMT độc lập Hệ thống PV độc lập không kết nối với lưới điện có sơ đồ cấu trúc mơ tả hình 2.3 Năng lượng mặt trời biến đổi thành lượng điện DC lưu trữ acquy dùng cho tải DC, tải AC phải qua biến tần để chuyển đổi DC/AC Ưu điểm hệ thống xây dựng nơi điện lưới phục vụ vùng sâu vùng xa biển đảo đáp ứng nhu cầu dân sinh, sản suất khu vực Bộ biến đổi DC/DC Solar Panel Acquy Biến tần Tải AC Tải DC Hình 2.3 Sơ đồ khối hệ thống PV độc lập 2.1.3 Một số hệ thống điện NLMT khác Hệ thống PV nối lưới có dự trữ: hệ thống tương tự hệ thống PV nối lưới có thêm acquy để lưu trữ điện Để đảm bảo việc cung cấp điện liên tục điện lưới bị vào ban đêm Hệ thống ứng dụng cho tải yêu cầu cung cấp điện liên tục Hệ thống PV độc lập không dự trữ : hệ thống hoàn toàn phụ thuộc vào lượng ánh sáng mặt trời Bức xạ mặt trời lớn cơng suất tạo lớn, lượng điện tạo sử dụng tức thời Hệ thống thường ứng dụng cho bơm nước, quạt thông gió… Hệ thống PV độc lập hỗn hợp: tương tự hệ thống PV độc lập hệ thống bổ sung thêm máy phát cỡ nhỏ để cấp nguồn cho hệ thống Ưu điểm hệ thống cơng suất hệ thống PV nhỏ cơng suất tính tốn điều kiện ánh sáng yếu năm Hệ thống sử dụng máy phát dự phòng để bù vào lượng cơng suất thiếu điều kiện xạ mặt trời yếu để đảm bảo cung cấp cho tải sử dụng 2.2 Đường đặc tuyến pin quang điện Mối quan hệ dòng điện điện áp tế bào quang điện: 𝑞𝑉𝑑 𝐼 = 𝐼𝑆𝐶 − 𝐼0 [𝑒 𝑛𝐾𝑇 − 1] (2.1) Đặc tuyến I – V pin quang điện đường cong biểu diễn theo công thức (2.1), với bất kiều điều kiện pin quang điện có điểm hoạt động mà giá trị điện áp dòng điện cho công suất cực đại Công suất cho công thức P = I*V Với hai đường cong P – V I – V ta thu điểm hoạt động giống hình 2.4 Cơng suất tế bào quang điện bé, để tăng công suất đầu hệ thống, tế bào quang điện ghép nối tiếp song song để tạo thành modul PV [5] Dòng điện modul tính theo cơng thức (2.2) [6,7] 𝐼 = 𝑁𝑝 𝐼𝑆𝐶 − 𝑁𝑝 𝐼0 [𝑒 𝑞(𝑉+𝐼𝑅𝑠 ) 𝑛𝐾𝑇𝑁𝑠 − 1] − 𝑁𝑝 𝑉 + 𝐼𝑅𝑠 𝑁𝑠 𝑅𝑃 (2.2) CÔNG SUẤT (W) Trong đó: Ns Np: số lượng tế bào quang điện mắc nối tiếp song song a) b) Hình 2.4 a) Đường đặc tuyến I – V , b) Đường đặc tuyến P – V 2.2 Những yếu tố trọng tâm nghiên cứu phát triển hệ thống điện NLMT Một số điểm nghiên cứu phát triển hệ thống điện NLMT [7- 47] :  Cải tiến nâng cao hiệu suất quang-điện (Công nghệ chế tạo pin PV cho phép hiệu suất quang - điện đạt 15%-18% )  Sử dụng kỹ thuật điều khiển thông minh để nâng cao hiệu điều khiển hệ thống đạt công suất cực đại  Nghiên cứu phát triển biến đổi công suất DC/DC, DC/AC để hệ thống đạt hiệu suất cao làm việc ổn định  Nghiên cứu giải pháp anti-islanding nâng cao độ đáp ứng nhanh độ an toàn hệ thống NLMT trình hoạt động Điều khiển công suất cực đại MPPT hệ thống điều khiển PV đạt cơng suất tối đa q trình hoạt động MPPT hệ thống điều khiển khí hướng PV vào hướng mặt trời để đạt công suất lớn MPPT hệ thống điều khiển điện tử với mục đích định điểm làm việc PV cho cơng suất đạt tối đa Hình 2.5 sơ đồ cấu trúc điều khiển MPPT Các biến đổi DC/DC thường sử dụng ba loại sau: buck (bộ giảm áp), boost (bộ tăng áp) buck-boost (bộ giảm-tăng áp) Do phụ thuộc vào nhiệt độ cường độ ánh sáng nên điện áp làm việc panel PV dao động lớn Chính nên sử dụng boost để tăng điện áp DC phù hợp với trạng thái công suất cực đại PV panel DC/DC Boost converter SVPWM converter I,V PWM MPPT controller Microcontroller Hình 2.5 Sơ đồ điều khiển MPPT PV Kết luận chương Chương tác giả trình bày tổng quan chung hệ thống lượng điện mặt trời bao gồm thành phần hệ thống, đặc tính pin lượng mặt trời Tác giả đưa yếu tố trọng tâm phát triển hệ thống lượng mặt trời Hệ thống lượng điện mặt trời thống lớn nên có nhiều vấn đề cần cải tiến phát triển cho hệ thống, khuôn khổ luận án tác giả tập trung nghiên cứu phát triển thuật tốn tìm điểm điểm công suất cực đại cho điều khiển công suất cực đại (MPPT) để hệ thống làm việc đạt hiệu suất cao ổn định hơn, đồng thời tác giả thiết kế chế tạo thực nghiệm hệ thống lượng mặt trời nối lưới theo hướng phát triển biến đổi công suất DC/DC DC/AC 2.3 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN BỘ ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI 3.1 Các yếu tố ảnh hưởng tới MPP 3.1.1 Ảnh hưởng xạ Ta có biểu thức dòng điện theo xạ công thức (3.1) 𝑞𝑉𝑑 𝐺 (3.1) 𝐼 = ( ) 𝐼𝑆𝐶 − 𝐼0 [𝑒 𝑛𝐾𝑇 − 1] 𝐺0 Hình 3.1 Đặc tuyến I – V, P – V P – I với mức xạ khác 3.1.2 Ảnh hưởng nhiệt độ Dòng điện ngắn mạch cho công thức theo nhiệt độ (T) (3.2) (3.2) 𝐼𝑆𝐶 (𝑇) = 𝐼𝑆𝐶 (𝑇𝑟 )[1 − 𝛼(𝑇 − 𝑇𝑟 )] Đặc tuyến I – V, P – V P – I mức nhiệt độ khác hình 3.2 Khi nhiệt độ tăng đặc tuyến I – V dịch sang trái tức điện áp giảm Dẫn tới MPP hệ thống pin quang điện thay đổi Vậy yêu cầu phải có thuật tốn để theo dõi MPP giúp hệ thống làm việc MPP để giảm tổn thất nâng cao hiệu suất hoạt động cho toàn hệ thống [111] Hình 3.2 Đặc tuyến I – V, P – V P – I với nhiệt độ khác 3.1.3 Ảnh hưởng tượng bóng râm Hiện tượng bóng râm định nghĩa PV bị che phủ phần mà gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu suất PV Bóng râm không làm giảm công suất tế bào quang điện mà thay đổi điện áp hở mạch Voc, dòng ngắn mạch Isc hiệu suất chúng Hình 3.3 Đặc tính I-V, P-V có bóng râm Tìm điểm cơng suất cực đại Một thành phần quan trọng hệ thống PV MPPT, thành phần giúp hệ thống PV phát công suất ngõ hệ thống cực đại, giảm tổn thất công suất giải toán kinh tế cho hệ thống PV Nó thiết bị cơng suất liên kết hệ pin quang điện với tải, điều khiển điểm hoạt động hệ pin quang điện để thu công suất cực đại từ hệ pin quang điện với điều kiện môi trường thay đổi nhiệt độ, xạ, bóng râm… hiệu suất hệ thống cải thiện 3.3 Nghiên cứu phát triển thuật toán độ dẫn gia tăng điều khiển bám điểm công suất cực đại 3.3.1 Theo dõi MPP thuật toán INC truyền thống Sơ đồ thuật tốn INC hình 3.4 [5]: 3.2 Hình 3.4 Sơ đồ thuật tốn INC 18 4.1.2 Kết mơ 4.1.2.2 Thuật tốn phát triển INC nhằm đạt MPP nhanh Tác giả tiến hành mô theo lý thuyết đề xuất thu kết đáp ứng hệ thống PV so với trường hợp INC truyền thống hình 4.2 CURRENT Traditional I Variable I 25 I(A) 20 15 10 0 10 12 14 Time(s) So sánh đáp ứng dòng điện a) VOLTAGE 400 Traditional V Variable V 350 300 V(V) 250 200 150 100 50 0 10 12 14 Time(s) So sánh đáp ứng điện áp b) POWER 8000 7000 6000 P(W) 5000 4000 3000 2000 Theory P Traditional P Variable P 1000 0 10 12 14 Time(s) c) So sánh đáp ứng công suất Hình 4.2 So sánh đáp ứng thuật toán INC truyền thống bước nhảy thay đổi DUTY CYCLE 0.6 Traditional D Variable D 0.55 0.5 0.45 Duty 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.5 1.5 Time(s) 2.5 3.5 Hình 4.3 Đáp ứng D INC truyền thống bước nhảy thay đổi lúc khởi động 19 POWER 7000 6000 5000 P(W) 4000 3000 2000 Theory P Traditional P Variable P 1000 0 0.5 1.5 Time(s) 2.5 3.5 Hình 4.4 Đáp ứng cơng suất INC truyền thống bước nhảy thay đổi lúc khởi động POWER 7800 7600 7400 7200 P(W) 7000 6800 6600 6400 6200 Theory P Traditional P Variable P 6000 5800 4.05 4.1 4.15 4.2 4.25 Time(s) 4.3 4.35 4.4 4.45 4.5 Hình 4.5 Đáp ứng cơng suất INC truyền thống bước nhảy thay đổi lúc xạ thay đổi từ 700W/m2 lên 900W/m2 Qua mô ta dễ dàng quan sát tốc độ đạt MPP lúc bắt đầu hoạt động INC bước nhảy thay đổi nhanh INC truyền thống nhiều thể hình 4.4 Ngay trường hợp xạ thay đổi từ G = 700W/m2 lên G = 900W/m2 thuật toán INC bước nhảy thay đổi bám điểm công suất tốt hơn, thể hình 4.5, qua thấy INC bước nhảy thay đổi dao động quanh MPP nhẹ so với INC truyền thống 4.1.2.3 Thuật toán phát triển INC nhằm giảm dao động MPP Kết thu từ mô phần mềm Matlab hình 4.6 ta thấy phương án đề xuất có tốc độ hội tụ nhanh giảm dao động MPP đáng kể CURRENT Traditional I Modify Variable I 25 I(A) 20 15 10 0 Time(s) a) So sánh đáp ứng dòng điện 10 12 14 20 VOLTAGE 400 Traditional V Modify Variable V 350 300 V(V) 250 200 150 100 50 0 10 12 14 Time(s) So sánh đáp ứng điện áp b) POWER 8000 Theory P Modify Variable P 7000 6000 P(W) 5000 4000 3000 2000 1000 0 Time(s) 10 12 14 16 c) So sánh đáp ứng công suất Hình 4.6 So sánh thuật tốn INC truyền thống giảm dao động MPP DUTY CYCLE 0.6 Traditional D Modify Variable D 0.55 0.5 0.45 Duty 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.5 a) 3.9 0.46 3.95 1.5 Time(s) 2.5 3.5 Đáp ứng D trình khởi động 4.05 4.1 Time(s) 4.15 4.2 4.25 4.3 4.35 4.4 0.47 0.48 0.49 ytuD 0.5 0.51 0.52 0.53 0.54 Modify Variable D Traditional D 0.55 DUTY CYCLE b) Đáp ứng D thời điểm gia tăng xạ Hình 4.7 Đồ thị D độ tăng xạ Từ hình 4.7 a) ta nhận thấy rằng, với giá trị bước nhảy thay đổi, hệ thống nhiễu loạn bước dài hơn, giới hạn 10%, gần 21 giá trị công suất cực đại, giá trị bước nhảy nhỏ dần tiến gần đến 0, giá trị giảm dần α chọn 2, có nghĩa thuật toán liên tục giảm giá trị bước nhảy cho đạt giá trị gần Việc cải thiện độ giao động công suất trạng thái xác lập Để so sánh hiệu phương pháp, tác giả vẽ lại đường cơng suất thời điểm khởi động hình 4.8 a), gia tăng ánh nắng hình 4.8 b) hệ thống ổn định hình 4.8 c) POWER 7000 6000 5000 P(W) 4000 3000 2000 Theory P Traditional P Variable P Modify Variable P 1000 0 0.5 a) 1.5 Time(s) 2.5 3.5 Đáp ứng P trình khởi động POWER 7800 7600 7400 7200 P(W) 7000 6800 6600 6400 Theory P Traditional P Variable P Modify Variable P 6200 6000 5800 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 Time(s) 4.6 4.7 4.8 4.9 Đáp ứng P trình thay đổi xạ b) POWER 6860 6840 6820 6800 P(W) 6780 6760 6740 6720 Theory P Traditional P Variable P Modify Variable P 6700 6680 6660 11 11.2 11.4 11.6 11.8 12 Time(s) 12.2 12.4 12.6 12.8 13 c) Đáp ứng P trình ổn định Hình 4.8 So sánh đáp ứng cơng suất thuật toán lý thuyết Từ kết mô so sánh trên, chứng minh thuật tốn đề xuất có khả cải thiện hiệu suất thuật toán INC truyền thống tiêu chí thời gian đáp ứng, độ dao động MPP tổn thất công suất Điều chứng minh phù hợp thuật toán đề xuất so với thuật toán truyền thống 22 4.2 Kết mơ thuật tốn PSO phát triển thuật toán PSO 4.2.1 Kết mơ thuật tốn MPPT-PSO Dựa vào lưu đồ thuật tốn PSO hình 3.8 tác giả mơ đáp ứng công suất đầu hệ thống PV so sánh với trường hợp khơng có điều khiển MPPT hình 4.9 Từ đáp ứng đầu ta thấy với thuật toán PSO cho kết đáp ứng công suất đầu không bị giao động phương pháp INC hay P&O Hình 4.9 Đáp ứng đầu hệ thống PV với thuật toán PSO 4.2.2 Kết mơ thuật tốn MPPT-DPSO Trong phần này, tác giả mô để đánh giá hiệu thuật tốn DPSO việc dò tìm điểm cơng suất cực đại PV Trước tiên, thuật toán PSO DPSO thử nghiệm năm vấn đề Benchmark để chứng minh tính hiệu chúng việc giải vấn đề tối ưu hóa phức tạp Sau đó, thuật tốn tối ưu hóa áp dụng để dò tìm điểm cơng suất cực đại PV Hình 4.10 thể thời gian đáp ứng công suất đầu điều kiện môi trường không đổi (với lượng xạ G = 900 W / m2 nhiệt độ T = 25°C) ba trường hợp sau: 1) khơng có điều khiển MPPT, 2) sử dụng DPSO 3) phương pháp truyền thống (P&O and InCond) Hình 4.10 Đáp ứng công suất đầu ba trường hợp: không sử dụng MPPT, sử dụng DPSO, P&O InCond 23 Khả dò tìm điểm cơng suất cực đại phương pháp đề xuất tốt thuật toán bầy đàn PSO truyền thống việc tối ưu hóa lượng pin mặt trời Điều thể hình 4.11 thấy hai thuật tốn thơng minh nhân tạo bám theo điểm công suất cực đại pin mà không tồn dao động xung quanh điểm MPP Đây ưu điểm bật phương pháp tối ưu hóa bầy đàn so với phương pháp truyền thống P&O INC Trong đó, khả dò tìm thuật tốn DPSO nhanh xác thuật toán PSO cổ điển với thời gian tối ưu hóa DPSO 0,57 giây PSO lên tới 2,12 giây ` Hình 4.11 So sánh đáp ứng cơng suất thuật tốn DPSO PSO Hình 4.12 cho thấy đặc tính động cơng suất đầu xạ mặt trời giao động khoảng 700 W/m2 đến 800 W/m2 nhiệt độ cố định 25 ° C Hình 4.12 Đáp ứng P đầu P trình tăng lượng xạ Hình 4.13 Đáp ứng P P trình giảm lượng xạ 24 Kết điều khiển MPPT dựa thuật toán tối ưu khác khảo sát điều kiện thay đổi xạ ánh sáng tóm tắt Bảng 4.1 Từ Bảng 4.1 thấy độ xác việc dò tìm cơng suất cực đại pin áp dụng phương pháp đề xuất lớn 99% điều kiện thử nghiệm Bảng 4.1 Kết điều khiển MPPT dựa thuật toán tối ưu khác G (W/m2) Without MPPT P&O InCond PSO DPSO The theoretical value of PV 600 4567.0 5137.0 5137.4 5157.2 5157.5 5157.7 700 5913.0 5994.8 5995.0 6009.0 6009.2 6009.7 800 6820.0 6812.0 6812.3 6849.1 6849.5 6850.0 900 7360.0 7655.0 7656.0 7677.2 7678.0 7678.3 4.2.3 Kết mơ thuật tốn MPPT-PPSO Thuật tốn PPSO tác giả phát triển trước tiên xác thực năm vấn đề Benchmark sau sử dụng để dò tìm điểm cơng suất cực đại tồn cục có xét đến tượng bóng râm (PSC) Ngoài ra, kết so sánh với giải thuật PSO truyền thống để chứng minh tính hiệu phương pháp đề xuất Thuật toán MPPT-PPSO thực mơ hình bao gồm hệ thống pin mặt trời PV kết nối với tải thông qua băm áp chiều với điều khiển MPPT Hệ thống PV khảo sát bao gồm bốn mô đun PV kết nối nối tiếp hình 4.14 Hình 4.14 Mơ hình mơ kết nối bốn modul PV 25 Đầu tiên, mô hệ thống PV theo điều kiện bóng râm hệ thống PV kết nối tải để tăng cường hiệu suất chuyển đổi thuật toán MPPT thực Công suất tối đa tương ứng tạo hệ thống mô đun PV kết hợp khác xạ mặt trời thể Bảng 4.2 Bảng 4.2 Các giá trị xạ mặt trời cho PV Cường độ xạ Trường hợp G4 (W/m2) Maximum Power, Pmax (W) 1000 1000 904.5 900 900 400 704.5 1000 900 800 400 652.6 1000 700 700 400 572.6 1000 700 500 400 461.1 G1 (W/m2) G2 (W/m2) G3 (W/m2) 1000 1000 1000 Trong trường hợp sử dụng MPPT-PPSO bốn trường hợp mơ đun PV điều kiện bóng râm phần kiểm tra theo cấu hình lập Bảng 4.3 Mỗi trường hợp mơ khoảng thời gian 0,015s, khoảng thời gian cho bước chiếu xạ mặt trời thay đổi 0,003 s Các dạng sóng cơng suất PV theo thời gian mô vẽ cho tất trường hợp theo mẫu xạ mặt trời Bảng 4.4 thể Hình 4.15 Bảng 4.3 Thay đổi giá trị xạ cho MPPT- PPSO Cường độ xạ Trư ờng G1 G2 G3 G4 hợp (W/m2) (W/m2) (W/m2) (W/m2) [1000 1000 1000] [1000 1000 600] [1000 900 400] [1000 500 200] [1000 1000 1000] [800 1000 1000] [400 900 1000] [200 500 1000] [1000 1000 1000] [800 1000 1000] [700 1000 900] [500 1000 500] 26 [1000 1000 1000] [1000 1000 600] [900 1000 400] [500 1000 200] Bảng 4.4 Cơng suất cực đại có/khơng có thuật tốn MPPT- PPSO Case Maximum power (W) MPPT power (W) Tracking efficiency (%) [904.5, 715.7, 435.7] [900, 700, 400] [99.5, 97.8, 91.8] [516.8, 715.7, 904.5] [500, 710, 900] [96.7, 99.2, 99.5] [580.9, 904.5, 715.7] [550, 880, 700] [94.8, 97.3, 97.8] [715.7, 904.5, 435.7] [700, 880, 420] [97.8, 97.3, 96.4] Bảng 4.4 cho thấy rõ dạng sóng hiển thị Hình 4.15 Nó so sánh công suất tối đa Pmax tạo hệ thống có khơng có sử dụng MPPT- PPSO Có thể thấy rõ bảng 4.4 hiệu theo dõi thuật toán MPPT-PPSO cho trường hợp nằm khoảng 91,8% đến 99,5% Hình 4.15 Kết mơ với điều khiển MPPT- PPSO Hình 4.15 cho thấy thuật tốn PPSO-MPPT có khả phát điểm cơng suất cực đại tồn cục mảng PV điều kiện bóng râm Mặc dù giá trị MPP phát khác với công suất cực đại dự kiến, hiệu theo dõi thuật tốn lại đạt tới 99%, điều 27 có nghĩa thuật tốn đề xuất hoạt động tốt cho mảng PV điều kiện có bóng râm xuất 4.3 Kết luận chương Trong chương tác giả mô hệ thống PV với điều khiển công suất cực đại khác với thuật toán MPPT truyền thống thuật tốn MPPT phát triển Kết mơ cho thấy lượng đầu thuật toán đề xuất 99% với vài lần lặp điều kiện môi trường Hơn nữa, kết so sánh với kết thu từ MPPT áp dụng thuật toán truyền thống, để chứng minh khả loại bỏ nhược điểm áp dụng thuật toán truyền thống cho điều khiển MPPT hệ thống PV Chương THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI 5.1 Cấu trúc tổng thể hệ thống thiết bị Sơ đồ tổng quan hệ thống thực nghiệm bao gồm khâu sau: khâu PV & DC/DC converter, khâu biến tần DC/AC khâu nối lưới Hình 5.1 DC/DC Converter DC/AC converter Gird connection Grid Load MPPT controller SVPWM, grid connection controller Hình 5.1 Sơ đồ tổng quan hệ thống PV 5.1.1 Bộ biến đổi DC/DC Bộ biến đổi DC/DC có nhiều loại luận án tác giả chọn loại biến đổi tăng áp (Boost converter) Điện áp đầu pin PV thấp khoảng 12÷ 36VDC, cần phải tăng áp DC cho đầu vào chuyển đổi DC/AC, ta mắc nối tiếp để đạt điện áp mong muốn cần mắc nối tiếp nhiều pin PV dễ gây an toàn pin PV bị hỏng, việc chọn tăng áp Boost converter hoàn toàn hợp lý Để tăng dải điều chỉnh điện áp đầu cho tăng áp tác giả dùng tăng áp kép thuộc loại Interleaved Boost Converter hình 5.2 28 L1 L2 D2 T1 T2 D1 Vin C Rt Hình Sơ đồ mạch Interleaved Boost Converter 5.1.2 Bộ biến đổi DC/AC Bộ biến đổi DC/AC nghịch lưu có nhiệm vụ chuyển đổi lượng từ nguồn điện chiều sang dạng lượng điện xoay chiều Đại lượng điều khiển ngõ điện áp dòng điện, gọi nghịch lưu áp nghịch lưu dòng, sử dụng nghịch lưu áp pha Trong luận án tác giả dùng nghịch lưu NPC bậc có sơ đồ nguyên lý hình 5.3 Hình 5.3 Sơ đồ mạch nghịch lưu NPC bậc 5.1.3 Bộ điều khiển hệ thống Ở tác giả sử dụng board điều khiển dùng vi điều khiển họ ARM STM32H743II dòng có lõi chip vi xử lý 32 bit tốc độ xử lý cao, sơ đồ mạch thực board mạch điều khiển hình 5.4 Hình 5.4 Mạch thiết kế thực board mạch điều khiển 29 5.1.5 Sơ đồ chi tiết hệ thống Hình 5.6 hình ảnh thực tồn hệ thống Trong hệ thống phía đầu điện áp xoay chiều để điện áp nhỏ đảm bảo cho thiết bị làm việ an toàn đồng thời cách ly với điện áp lưới q trình thực hành thí nghiệm ta dùng thêm máy biến áp pha Hình 5.6 Hệ thống thực nghiệm 5.2 Kết hệ thống thực nghiệm Giao diện điều khiển lập trình hình HMI thuận lợi cho việc điều khiển cài đặt hệ thống hình 5.7 Hình 5.7 Giao diện điều khiển hệ thống PV 30 Kết điện áp pha dạng điện áp đầu hệ thống quan sát hình 5.8 Hình 5.8 Dạng sóng điện áp đầu pha hệ thống PV 5.3 Kết luận chương Trong chương tác giả trình bày phần tử hệ thống thiết bị thực nghiệm hệ thống lượng điện mặt trời nối lưới tác giả thiết kế, chế tạo thành công Hệ thống chạy ổn định cho phép thực nghiệm lập trình thuật tốn điều khiển áp dụng cho hệ thống thực tế với thuật toán điều khiển từ đơn giản đến đại Hệ thống dùng để thực hành thực tập hệ thống lượng điện mặt trời sử dụng với mục đích nghiên cứu phát triển dự án lập trình điều khiển ứng dụng nghiên cứu hệ thống lượng mặt trời CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 Kết luận Năng lượng mặt trời nguồn lượng quan trọng người So với nguồn lượng khác thủy điện, phong điện, nhiệt điện, điện hạt nhân… lượng mặt trời có đặc điểm khơng nhiễm mơi trường, độ an tồn cao, nguồn lượng vơ tận, phân bố nơi dải công suất Trong tương lai nguồn NLMT trở thành nguồn lượng bổ sung cho nguồn lượng dần cạn kiệt như: than, dầu khí, nước Chính việc nghiên cứu phát triển hệ thống lượng điện mặt trời việc cần thiết cấp bách Hệ thống lượng điện mặt trời có nhiều vấn đề cần nghiên cứu cải tiến phát triển cho hệ thống, luận án tác giả tập trung nghiên cứu phát triển cho hệ thống đạt kết sau : 31 - Nghiên cứu thuật toán INC đề xuất cải tiến phát triển cho thuật toán INC áp dụng điều khiển MPPT hệ thống PV Mô thuật toán MPPT điều kiện xạ thay đổi thường gặp thực tế để thấy hiệu thuật toán Kết cho thấy phương pháp MPPT dựa thuật toán INC phát triển hoạt động tốt điều kiện xạ mặt trời thay đổi đột ngột, phản ứng bám điểm công suất cực đại với thời gian nhanh, độ điều chỉnh nhỏ Ngồi ra, thuật tốn INC phát triển có ưu điểm hơn hẳn thuật toán INC truyền thống chẳng hạn như: hội tụ nhanh hơn, dao động quanh điểm công suất cực đại hẹp hơn; giảm thiểu hao tổn công suất phát dao động quanh điểm công suất cực đại, hiệu suất cao - Nghiên cứu thuật toán tối ưu bày đàn (PSO) ứng dụng thuật toán điều khiển MPPT đồng thời đề xuất 02 thuật toán mới: thuật toán tối ưu bày đàn vi phân (DPSO) thuật toán tối ưu bày đàn nhiễu loại (PPSO) cách phát triển dựa thuật toán PSO cổ điển áp dụng chúng điều khiển MPPT để cải thiện hiệu hoạt động hệ thống PV Kỹ thuật điều khiển MPPT dựa thuật toán DPSO PPSO thử nghiệm thành cơng mơ hình hệ thống Kết mô cho thấy lượng đầu thuật toán đề xuất 99% với vài lần lặp điều kiện môi trường Hơn nữa, kết so sánh với kết thu từ MPPT áp dụng thuật toán truyền thống, để chứng minh khả loại bỏ nhược điểm áp dụng thuật toán truyền thống cho điều khiển MPPT hệ thống PV - Tác giả nghiên cứu chế tạo thành công thiết bị thực nghiệm hệ thống lượng điện mặt trời nối lưới Hệ thống chạy ổn định việc cho phép thực nghiệm hệ thống lượng điện mặt trời hệ thống sử dụng với mục đích nghiên cứu phát triển dự án lập trình điều khiển ứng dụng nghiên cứu phát triển hệ thống lượng điện mặt trời 6.2 Phương hướng phát triển đề tài Như tác giả đề cập, hệ thống lượng điện mặt trời thống lớn nên có nhiều vấn đề cần nghiên cứu cải tiến phát triển cho hệ thống Các phát triển trọng tâm cho hệ thống lượng điện mặt trời tác giả trình bày chương Nghiêng lĩnh vực kỹ thuật điều khiển tự động hóa tác giả đưa hướng phát triển cho đề tài nghiên cứu hệ thống điện mặt trười sau : - Tiếp tục nghiên cứu áp dụng kỹ thuật điều khiển thông minh để điều khiển hệ thống đạt công suất cực đại nâng cao hiệu suất hệ thống - Nghiên cứu phát triển mạch điện tử biến đổi công suất DC/DC, DC/AC để hệ thống đạt hiệu suất cao làm việc ổn định - Nghiên cứu giải pháp anti-islanding nâng cao độ đáp ứng nhanh độ an tồn hệ thống NLMT q trình hoạt động 32 DANH MỤC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ [1] [2] [3] [4] [5] [6] Đồng Văn Hướng, Nhữ Khải Hoàn, “Nghiên cứu phát triển hệ thống lượng mặt trời nối lưới”, Tạp chí Khoa học Cơng Nghệ Giao thông Vận Tải, 5/2014 ISSN 1859-4263 Nhữ Khải Hoàn, Lê Thị Hường, Đồng Văn Hướng, “Cải tiến thuật toán độ dẫn gia tăng việc điều khiển bám điểm công suất cực đại hệ thống điện mặt trời”, Hội nghị Khoa học – Công nghệ GTVT lần IV – ÐH GTVT TpHCM, 5/2018 ISBN: 978-604-761578-0 Van Huong Dong, Khai Hoan Nhu, Thi Thom Hoang, Thanh Cong Pham (2018) “Tracking Maximum Power Point For Photovoltaic System Using A Novel Differential Particle Swarm Optimization”, Journal of Mechanical Engineering Research and Developments, 41(4) : 116-121 ISSN: 2088 -5334, Scopus Cong-Thanh Pham, Khai Hoan Nhu, Van Huong Dong, Thi Huong Le, Thi Thom Hoang, “Development of Particle Swarm Optimization for tracking Maximum Power Point of Photovoltaic Systems”, International Journal on Advanced Science, Engineering and Information Technology (IJASE), Vol.9 (2019): 1732-1738 ISSN:1024 -1752, Scopus Khai Hoan Nhu, Van Huong Dong, Cong-Thanh Pham, Quoc Tuan Vu, Thi Thom Hoang, “Application of Particle Swarm Optimization for MPPT in Photovoltaic Systems” Indonesian Journal of Electrical Engineering and Computer Science (Đã gửi bài, chờ duyệt đăng) Đồng Văn Hướng, Nhữ Khải Hoàn “Nghiên cứu thiết kế mơ hình thực hành, thí nghiệm hệ thống lượng điện mặt trời”, Đề tài nghiên cứu khoa học cấp sở nghiệm thu tháng 1/2019 ... thống thực nghiệm lượng điện mặt trời Chương : Kết luận phương hướng phát triển CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI 1.1 Tổng quan chung hệ thống NLMT Hệ thống PV hệ thống dùng để... truyền thống cho điều khiển MPPT hệ thống PV Nghiên cứu chế tạo thiết bị thực nghiệm hệ thống lượng điện mặt trời nối lưới Hệ thống chạy ổn định việc cho phép thực nghiệm hệ thống lượng điện mặt trời. .. việc nghiên cứu phát triển hệ thống lượng điện mặt trời việc cần thiết cấp bách Trải qua nhiều năm nghiên cứu, hệ thống NLMT ngày hồn thiện Có thể thấy số xu hướng nghiên cứu phát triển hệ NLMT