Nghiên cứu thiết kế hệ thống pin năng lượng mặt trời nối lưới công suất đến 10 MW cho vùng nuôi trồng thủy sản tam nông, đồng tháp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGÔ XUÂN HIÊN NGÔ XUÂN HIÊN KỸ THUẬT ĐIỆN – HỆ THỐNG ĐIỆN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI NỐI LƯỚI CÔNG SUẤT ĐẾN 10 MW CHO VÙNG NUÔI TRỒNG THỦY SẢN TAM NÔNG, ĐỒNG THÁP LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT ĐIỆN – HỆ THỐNG ĐIỆN KHÓA 2016B Hà Nội – Năm 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ với nội dung đề tài “Nghiên cứu thiết kế hệ thống pin lượng Mặt trời nối lưới công suất đến 10 MW cho vùng nuôi trồng thủy sản Tam Nông, Đồng Tháp” TS Bùi Minh Định PGS.TS Nguyễn Lân Tráng hướng dẫn nghiên cứu riêng Tất tài liệu tham khảo có nguồn gốc xuất xứ rõ ràng Hà Nội, ngày tháng năm 2019 Tác giả luận văn ` Ngô Xuân Hiên MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC BIỂU ĐỒ DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 10 MỞ ĐẦU 11 Chương – GIỚI THIỆU CHUNG VÀ ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 13 1.1 Lịch sử phát triển pin Mặt trời 13 1.2 Tổng quan tình hình phát triển lượng Mặt trời Việt Nam 13 1.3 Kết luận 17 Chương – THIẾT KẾ CẤU TRÚC TRONG MÔ PHỎNG 18 2.1 Pin quang điện, sơ đồ thay PV yếu tố môi trường tác động 18 2.1.1 Pin quang điện 18 2.1.2 Sơ đồ thay PV có xét đến tổn hao 18 2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến đường đặc tính PV 20 2.2.1 Ảnh hưởng cường độ chiếu sáng 20 2.2.2 Ảnh hưởng nhiệt độ .21 2.2.3 Ảnh hưởng tượng bóng râm 22 2.3 Xây dựng cấu trúc thuật tốn bám điểm cơng suất cực đại, biến đổi DC/DC 25 2.3.1 Xây dựng cấu trúc bám điểm công suất cực đại 25 2.3.3 Thuật toán bám điểm công suất cực đại 27 2.3.3.1 Thuật toán theo phương pháp điện áp không đổi 27 2.3.3.2 Thuật tốn theo phương pháp dịng điện ngắn mạch 27 2.3.3.3 Thuật toán theo phương pháp nhiễu loạn quan sát (P&O) 28 2.3.3.4 Thuật toán theo phương pháp điện dẫn gia tăng (INC) 30 2.3.3.5 Kết luận 32 2.3.4 Bộ biến đổi DC – DC Boost 32 2.4 Bộ biến đổi DC – AC (Inverter) 33 2.5 Cấu trúc chung hệ thống điện Mặt trời nối lưới không dự trữ 34 2.6 Cấu trúc chung hệ thống điện Mặt trời độc lập 36 2.7 Kết luận 38 Chương – MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI 39 3.1 Giới thiệu mô hình cơng suất 100 kW Matlab/ Simulink 39 3.1.1 Mơ hình mơ hệ thống điện Mặt trời công suất 100 kW kết nối lưới 39 3.1.1.1 Các khối mô hệ thống điện Mặt trời công suất 100 kW kết nối lưới 40 3.1.1.1.1 Mô hình dàn pin Mặt trời (PV Array) 40 3.1.1.1.2 Mơ hình điều chỉnh điện áp chiều DC/DC 41 3.1.1.1.3 Mơ hình điều khiển tìm công suất cực đại 42 3.1.1.1.3.1 khảo sát kết điều khiển tìm công suất cực đại 43 3.1.1.1.4 Mơ hình nghịch lưu khối điều khiển 46 3.1.2 Kết khai thác mơ hình hệ thống điện Mặt trời cơng suất 100 kW kết nối lưới50 3.2 Giới thiệu Mơ hình công suất 400 kWcủa Matlab/ Simulink 52 3.3 Mơ hình mơ hệ thống điện Mặt trời công suất MW 54 3.4 Mô hình mơ hệ thống điện Mặt trời cơng suất 10 MW 57 3.4.1 Kết mô trạng thái vận hành bình thường 58 3.4.2 Nhận xét phương thức đấu nối mơ hình 10 MW 62 3.4.3 Mô trạng thái cố ngắn mạch 62 3.4.4 Mô khả vận hành hệ thống điện Mặt trời lưới 64 3.5 Kết luận 66 Chương – ĐỀ XUẤT MƠ HÌNH THỰC TẾ 67 4.1 Vị trí địa lý phương án lắp đặt hệ thống lượng Mặt trời Tam Nơng67 4.2 Tính chọn thiết bị sơ đồ sợi 72 4.3 Phương án lắp đặt đấu nối vào lưới điện 74 4.4 Các thiết bị khối hệ thống điện 75 4.5 Tính tốn ngắn mạch 78 4.6 Sơ đồ sợi hệ thống thành phần 80 4.7 Các khối chức hệ thống 82 4.8 Tính tốn lợi ích kinh tế lắp đặt hệ thống điện Mặt trời 84 4.8.1 Tính tốn lượng điện tiền điện thu hồi chi tiết theo mức độ xạ (phương pháp 1) 84 Tổng hợp mức độ xạ: 84 4.8.2 Tính tốn lượng điện tiền điện thu hồi ước lượng theo công suất lắp đặt dàn PV (phương pháp 2) 88 4.8.3 Kết luận 88 4.9 Kết luận 89 TÀI LIỆU THAM KHẢO 91 PHỤ LỤC 92 Code thuật toán MPPT Matlab 92 1.1 Thuật toán MPPT theo phương pháp nhiễu loạn quan sát (P&O) 92 1.2 Thuật toán MPPT theo phương pháp điện dẫn gia tăng (INC) theo phép chia dP/dV 93 1.3 Thuật toán MPPT theo phương pháp điện dẫn gia tăng (INC) theo phép chia dI/dV 94 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1: Mơ hình đơn giản PV .18 Hình 2: Mơ hình thay PV có xét đến tổn hao .18 Hình 3: Mơ hình thay PV có xét đến tổn hao gồm nhiều cells 20 Hình 4: Đặc tính PV có xét đến ảnh hưởng Rs Rp 20 Hình 5: Đặc tuyến V-I PV cường độ sáng khác nhiệt độ bề mặt PV không đổi, 250C 21 Hình 6: Đặc tuyến V-I PV với nhiệt độ khác cường độ sáng không đổi 1000 W/m2 22 Hình 7: Module PV với n cell trường hợp không cell bị che khuất 22 Hình 8: Module PV với n cell trường hợp cell bị che khuất 22 Hình 9: Ảnh hưởng tượng bóng râm module PV 23 Hình 10: Module PV với nhiều cell bị che khuất 24 Hình 11: Module PV sử dụng diode bypass 24 Hình 12: Đặc tính PV trường hợp sử dụng diode bypass 25 Hình 13: Các đặc tính phi tuyến PV 25 Hình 14: Đặc tính V-I PV với cường độ xạ khác 26 Hình 15: Hệ thống bám điểm công suất cực đại .26 Hình 18: Lưu đồ thuật tốn tìm điểm cơng suất cực đại phương pháp nhiễu loạn quan sát P&O 29 Hình 20: Thuật tốn điện dẫn gia tăng INC 30 Hình 21: Lưu đồ thuật tốn tìm điểm công suất cực đại phương pháp điện dẫn gia tăng INC 31 Hình 22: Bộ biến đổi Boost converter .32 Sơ đồ biến đổi tăng áp Boost mơ tả hình vẽ 23 32 Hình 24: Mạch lực nghịch lưu độc lập nguồn áp ba pha 33 Hình 25: Tạo xung vuông phương pháp so sánh 34 Hình 26: Hệ thống điện lượng mặt trời nối lưới .34 Hình 27: Cấu trúc chung hệ thống điện Mặt trời nối lưới không dự trữ 35 Hình 28: Cấu trúc chung hệ thống điện Mặt trời độc lập 37 Hình 29: Hệ thống điện mặt trời hoạt động độc lập 37 Hình 1: Mơ hình hệ thống điện Mặt trời nối lưới cơng suất 100 kW 39 Hình 2: Mơ hình dàn pin Mặt trời (PV Array) 40 Hình 3: Pin Mặt trời Sun Power SPR-315E-WHT-D .41 Hình 4: Đặc tuyển V-I pin Mặt trời Sun Power SPR-315E-WHT-D 41 Hình 5: Mơ hình điều chỉnh điện áp chiều DC/DC Boost converter 42 Hình 6: Mơ hình toán học điều chỉnh điện áp chiều DC/DC 42 Hình 7: Mơ hình tìm cơng suất cực đại theo phương pháp nhiễu loạn quan sát (P&O) 42 Hình 8: Mơ hình tìm cơng suất cực đại theo phương pháp điện dẫn gia tăng (INC) 43 Hình 9: Các giá trị điều khiển D MPPT .43 Hình 10: Khảo sát mơ hình tìm cơng suất cực đại theo phương pháp nhiễu loạn quan sát (P&O) 44 Hình 11: Hệ số điều chế D tìm cơng suất cực đại theo phương pháp nhiễu loạn quan sát (P&O) 44 Hình 12: Khảo sát mơ hình tìm cơng suất cực đại theo phương pháp điện dẫn gia tăng (INC) 45 Hình 13: Hệ số điều chế D tìm cơng suất cực đại theo phương pháp điện dẫn gia tăng (INC) 45 Hình 14: Mơ hình nghịch lưu khối điều khiển 46 Hình 15: Mơ hình tốn học khối nghịch lưu ba pha nguồn áp 46 Hình 16: Mơ hình khối điều khiển VSC control .47 Hình 17: Mơ hình vịng khóa pha 47 Hình 18: Mơ hình khối điều chỉnh điện áp chiều VDC Regulator 48 Hình 19: Mơ hình khối điều chỉnh dịng điện Current Regulator 48 Hình 20: Mơ hình lưới điện kết nối với PV 49 Hình 21: Mạch lọc LC máy biến áp 100 kVA 0,4 kV/24 kV 49 Hình 22: Kết mơ hệ PV có tham gia MPPT với D = 0,8 mơ hình 100 kW 50 Hình 23: Kết mơ hệ PV có tham gia MPPT mơ hình 100 kW 51 Hình 24: Kết mơ hệ PV có tham gia MPPT mơ hình 100 kW với cường độ sáng nhiệt độ thay đổi 52 Hình 25: Mơ hình cơng suất 400 kW hệ thống điện Mặt trời nối lưới 53 Hình 26: Kết thu dàn PV 100 kW có MPPT mơ hình 400 kW .54 Hình 27: Mơ hình công suất MW hệ thống điện Mặt trời nối lưới 55 Hình 28: Kết thu dàn PV 100 kW có MPPT mơ hình MW 56 Hình 29: Phương thức đấu nối mơ hình 10 MW .57 Hình 30: Phương thức đấu nối mơ hình 10 MW .58 Hình 31: Kết thu dàn PV 100 kW có MPPT mơ hình 10 MW phương thức đấu nối 59 Hình 32: Đặc tính cơng suất tổng cộng sau máy biến áp mơ hình 10 MW phương thức đấu nối 60 Hình 33: Cơng suất dàn PV 100 kW có MPPT tác động mơ hình 10 MW phương thức đấu nối 61 Hình 34: Đặc tính cơng suất tổng cộng sau máy biến áp mơ hình 10 MW phương thức đấu nối 61 Hình 35: Ngắn mạch ba pha hệ thống PV 10 MW nối lưới phương thức đấu nối 62 Hình 36: Đáp ứng đầu sau máy biến áp ngắn mạch ba pha phương thức đấu nối 63 Hình 37: Hệ thống PV 10 MW lưới 64 Hình 38: Kết thu dàn PV 100 kW lưới điện 65 Hình 39: Đặc tính cơng suất tổng cộng đầu sau máy biến áp lưới 65 Hình 1: Vị trí địa lý huyện Tam Nông tỉnh Đồng Tháp 67 Hình 2: Cường độ xạ Mặt trời số nắng ngày 68 Hình 3: Lắp đặt giàn pin Mặt trời 69 Hình 4: Kênh Mười Tải, xã Phú Cường, huyện Tam Nơng, Đồng Tháp 70 Hình 5: Hệ thống điều khiển giám sát 71 Hình 6: Phương thức lắp đặt pin Mặt trời 75 Hình 7: Mặt lắp đặt pin Mặt trời 75 Hình Bộ nghịch lưu hoà lưới PVS800-TS-2000KW-C 78 Hình 9: Sơ đồ sợi nghịch lưu hồ lưới PVS800-TS-2000KW-C điển hình 78 Hình 10: Sơ đồ thay tính tốn ngắn mạch 79 Hình 11: Sơ đồ sợi tủ điện chiều DC 250 kW ghép nối khối PV 250 kW .80 Hình 12: Sơ đồ sợi kết nối khối PV 250 kW với Inverter MW 81 Hình 13: Sơ đồ sợi kết nối khối PV 250 kW với Inverter MW với MBA 2,5 MVA 82 Hình 14: Bảo vệ so lệch máy biến áp ba cuộn dây 83 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1: Tiềm năng lượng Mặt trời Việt Nam .14 Bảng 1: Thông số pin Mặt trời Sun Power SPR-315E-WHT-D 41 Bảng 2: Giá trị điện áp cơng suất PV khơng có MPPT tác động 50 Bảng 3: Các thông số mơ hình PV 400 kW MW 56 Bảng 1: Thiết bị hệ PV công suất 10 MW .75 Bảng 2: Thiết bị khối đo lường 76 Bảng 3: Thiết bị khối điều khiển bảo vệ .76 Bảng 4: Thiết bị khối tủ hạ 77 Bảng 5: Thông số kỹ thuật nghịch lưu hoà lưới PVS800-TS-2000KW-C 77 Bảng 6: Giá bán điện 84 Bảng 7: Bảng phân bố xạ theo tháng 1÷12 84 Bảng 8: Bảng tổng xạ ngày điển hình 85 Bảng 9:Bảng số nắng hàng tháng năm 85 Bảng 10: Bảng điện (kWph) thu hồi hàng tháng năm 86 Bảng 11: Bảng tiền điện thu hồi hàng tháng 87 Bảng 12: Bảng tính tổng hợp .87 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Các đóng góp luận văn Luận văn đạt kết bao gồm: - Nghiên cứu khảo sát đặc tính hệ pin quang điện điều kiện nhiệt độ cường độ xạ Mặt trời khác - Mô hệ PV nối lưới từ công suất 100 kW, 400 kW đến công suất lớn MW 10 MW - Kết lý thuyết mô đề xuất mơ hình hệ thống 10 MW điển hình áp dụng cho hệ thống điện Mặt trời dự kiến lắp đặt kênh Mười Tải – Phú Cường – Tam Nơng – Đồng Tháp - Tính kinh tế lắp đặt hệ thống điện Mặt trời, cho ta sở ước lượng số năm thu hồi vốn triển khai thực tế Hướng phát triển tương lai Phạm vi nghiên cứu đề tài giới hạn số điểm mà sở nghiên cứu phát triển tương lai: - Hệ pin quang điện nghiên cứu nghiên cứu mở rộng để cung cấp cho tải AC thông qua biến đổi công suất DC/AC với chất lượng điện AC đảm bảo giá trị biên độ dạng sóng điện áp tần số - Khảo sát nghiên cứu ảnh hưởng ổn định hệ thống điện kết nối nguồn pin quang điện vào lưới điện quốc gia - Nghiên cứu mơ hình phương thức đấu nối phù hợp cho hệ thống PV nối lưới công suất lớn đến hàng trăm hàng ngàn MW Kiến nghị Qua thời gian học tập, nghiên cứu làm luận văn, em có số kiến nghị sau: Việc thiết kế, xây dựng hệ thống pin Mặt trời việc cần thiết có tầm quan trọng giới nói chung Việt Nam nói riêng Vì nên xây dựng quy trình thiết kế, chọn thiết bị, tính chọn phương án kinh tế dựa vào phần mềm chuyên dụng để việc thiết kế hoàn chỉnh hệ thống pin lượng Mặt trời thuận lợi 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đặng Đình Thống (2005), Pin mặt trời ứng dụng, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [2] Đặng Đình Thống, Lê Danh Liên (2006), Cơ sở lượng tái tạo, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [3] Đào Quang Thạch, Phạm Văn Hòa (2004), Phần điện nhà máy điện trạm biến áp, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [4] Nguyễn Văn Đạm (2009), Mạng lưới điện, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [5] https://solarpower.vn/lich-su-phat-trien-cua-nang-luong-mat-troi-va-chuyen-doiquang-dien/ [6] Marian P.Kazmierkowski, R.Krishnan, Frede Blaabjerg; Control in Power Electronic – Selected Problems; Academic Press,2002 [7] Sylvain LECHAT SANJUAN , Voltage Oriented Control of Three‐Phase, Boost PWM Converters – Design, simulation and implementation of a 3‐phase boost battery charger [8] Jim Ögren, “PLL design for inverter grid connection – Simulations for ideal and non-ideal grid conditions“, 91 PHỤ LỤC Code thuật toán MPPT Matlab 1.1 Thuật toán MPPT theo phương pháp nhiễu loạn quan sát (P&O) function D = PandO(Param, Enabled, V, I) % MPPT controller based on the Perturb & Observe algorithm % D output = Duty cycle of the boost converter (value between and 1) % Enabled input = to enable the MPPT controller % V input = PV array terminal voltage (V) % I input = PV array current (A) % Param input: Dinit = Param(1); %Initial value for D output Dmax = Param(2); %Maximum value for D Dmin = Param(3); %Minimum value for D deltaD = Param(4); %Increment value used to increase/decrease the duty cycle D % ( increasing D = decreasing Vref ) persistent Vold Pold Dold; dataType = 'double'; if isempty(Vold) Vold=0; Pold=0; Dold=Dinit; end P= V*I; dV= V - Vold; dP= P - Pold; if dP ~= & Enabled ~=0 if dP < if dV < D = Dold - deltaD; else D = Dold + deltaD; end else if dV < D = Dold + deltaD; else D = Dold - deltaD; end 92 end else D=Dold; end if D >= Dmax | D 0) if dV > D = Dold + deltaD; else D = Dold - deltaD; end else if dV > D = Dold - deltaD; else D = Dold + deltaD; end end else D = Dold; end if D >= Dmax | D if dV > D = Dold + deltaD; else D = Dold - deltaD; end else if dV > D = Dold - deltaD; else D = Dold + deltaD; end end else D = Dold; end if D >= Dmax | D