Nghiên cứu thuật toán tìm điểm công suất cực đại MPPT cho hệ thống điện mặt trời kết nối lưới

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN HỒNG VIỆT NGHIÊN CỨU THUẬT TỐN TÌM ĐIỂM CƠNG SUẤT CỰC ĐẠI (MPPT) CHO HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI KẾT NỐI LƯỚI LUẬN VĂN THẠC SỸ CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - HỆ THỐNG ĐIỆN Hà Nội – 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN HỒNG VIỆT NGHIÊN CỨU THUẬT TỐN TÌM ĐIỂM CƠNG SUẤT CỰC ĐẠI (MPPT) CHO HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI KẾT NỐI LƯỚI LUẬN VĂN THẠC SỸ CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - HỆ THỐNG ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN HOÀNG VIỆT Hà Nội – 2018 ` LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn thạc sỹ với nội dung đề tài “Nghiên cứu thuât toán tìm điểm cơng suất cực đại (MPPT) cho hệ thống điện mặt trởi kết nối lưới” giảng viên TS Nguyễn Hoàng Việt hướng dẫn nghiên cứu riêng tơi Tất tài liệu tham khảo có nguồn gốc xuất xứ rõ ràng Hà Nội, ngày 25 tháng năm 2018 HỌC VIÊN Nguyễn Hồng Việt ` MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU Lý lựa chọn đề tài Một số mục tiêu nghiên cứu luận văn 10 Kết nghiên cứu hệ thống điện mặt trời nước ta 10 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 10 Phương pháp luận 10 Những đóng góp luận văn 11 Kết cấu luận văn 11 CHƯƠNG I TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VÀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI 13 I.1 Sự phát triển ứng dụng công nghệ lượng mặt trời 13 I.1.1 Giới thiệu công nghệ lượng mặt trời 13 I.1.2 Chính sách Năng lượng mặt trời 17 I.2 Công nghệ điện mặt trời 19 I.2.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động 21 ` I.2.2 Lịch sử phát triển lượng điện mặt trời 22 I.2.3 Các đặc trưng Pin mặt trời 24 I.2.4 Tấm pin mặt trời cách ghép nối module mặt trời 27 I.3 Các hình thức hoạt động hệ thống điện lượng mặt trời 29 I.3.1 Hệ thống điện lượng mặt trời 30 I.3.2 Hệ thống điện lượng mặt trời kết nối lưới 30 CHƯƠNG II MƠ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI KẾT NỐI LƯỚI VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG 33 II.1 Hệ thống điện mặt trời kết nối lưới (Gird - Connected PV system) 33 II.1.1 Cấu trúc hệ thống điện mặt trời nối lưới không dự trữ 33 II.1.2 Cấu trúc hệ thống điện mặt trời nối lưới có dự trữ 34 II.1.3 Phân tích cấu hình hệ thống lượng mặt trời 35 II.1.4 Một số phương pháp kết nối lưới hệ thống điện mặt trời 36 II.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống điện lượng mặt trời 39 II.2.1 Ảnh hưởng cường độ ánh sáng 40 II.2.2 Ảnh hưởng nhiệt độ 41 II.2.3 Nhận xét chung 42 II.3 Một số ứng dụng hệ thống điện lượng mặt trời 43 CHƯƠNG III TÌM HIỂU MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP, THUẬT TỐN TÌM ĐIỂM CƠNG SUẤT CỰC ĐẠI CHO HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI 45 III.1 Giới thiệu 45 III.2 Vai trị tìm điểm cơng suất cực đại (MPPT) 48 ` II.2.1 Khi có MPPT hoạt động 49 II.2.2 Khi khơng có MPPT 51 III.3 Phương pháp Nhiễu loạn Quan sát (P&O) tìm MPP 54 III.4 Phương pháp Điện dẫn gia tăng (INC) tìm MPP 56 CHƯƠNG IV SO SÁNH KỸ THUẬT MỘT SÔ THUẬT TỐN TÌM ĐIỂM CƠNG SUẤT CỰC ĐẠI CHO HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI KẾT NỐI LƯỚI 59 IV.1 Mô hình hóa hệ thống Matlab 59 IV.2 Kịch nghiên cứu 62 IV.3 Sử dụng thuật toán P&O 64 IV.4 Sử dụng thuật toán INC 69 IV.5 Sử dụng thuật toán INC cải tiến 74 KẾT LUẬN 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 PHỤ LỤC MƠ HÌNH MƠ PHỎNG CÁC THUẬT TỐN TRONG MATLAB SIMULINK 80 ` DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt HTĐ Electric power system Hệ thống điện NLMT Solar energy Năng lượng mặt trời NLTT Renewable energy Năng lượng tái tạo INC Incremental Conductance Điện dẫn gia tăng MBA Transformer Máy biến áp MPPT Maximum Power Point Tracking Bám công suất cực đại MPP Maximum Power Point Điểm công suất lớn NM Short circuit Ngắn mạch P&O Purturb and Observer Nhiễu loạn quan sát PMT Solar cell Pin Mặt trời PLL Phase-locked-loop Vịng khóa pha PV Photovoltaics Điện mặt trời PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung V-A Volt – Ampere Vôn – Ampe VSC Voltage Source Converters Bộ chuyển đổi nguồn áp ` DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng I.1 Tốc độ tăng trưởng trung bình (%) cơng suất phát điện NLTT giai đoạn 2008-2013 năm 2013 (nguồn REN21-2014) 16 Bảng III.1 Lưu đồ thuật toán phương pháp nhiễu loạn quan sát 55 Bảng III.2 Lưu đồ thuật toán phương pháp điện dẫn gia tăng 57 ` DANH MỤC HÌNH VẼ Hình I.1 Sơ đồ khối công nghệ NLMT 14 Hình I.2 Cơng suất phát điện mặt trời (PMT) hàng năm giai đoạn 20042013 toàn cầu 16 Hình I.3 Đầu tư (tỷ USD) công suất điện PMT xây dựng thêm hàng năm (GW) toàn cầu giai đoạn 2004-2013 17 Hình I.4 Thị phần cơng suất lắp đặt thiết bị nước nóng NLMT 10 nước dẫn đầu Thế giới 18 Hình I.5 Hình ảnh pin mặt trời 19 Hình I.6 Chất bán dẫn P-N 22 Hình I.7 Sơ đồ cấu ấu trúc chuyển tiếp p-n, thành phần quan trọng điốt bán dẫn Tiền đề chế tạo thành cơng pin lượng Mặt Trời hồn thiện 24 Hình I.8 Sơ đồ thay pin mặt trời 25 Hình I.9 Đường đặc trưng sáng Pin mặt trời 26 Hình I.10 Mơ hình Cell, Module Array pin mặt trời 27 Hình I.11 Sơ đồ hệ thống điện lượng mặt trời hoạt động độc lập 30 Hình I.12 Sơ đồ hệ thống điện lượng mặt trời kết nối lưới 31 Hình II.1 Cấu trúc chung hệ thống điện mặt trời nối lưới khơng dự trữ 33 Hình II.2 Cấu trúc chung hệ thống điện mặt trời nối lưới không dự trữ 35 Hình II.3 Cấu trúc chung hệ thống điện mặt trời nối lưới không dự trữ 39 Hình II.4 Đặc tính Von – Apme với ảnh hưởng cường độ sáng 40 Hình II.5 Đặc tính Von – Apme với ảnh hưởng nhiệt độ chiếu sáng 42 Hình III.1 Đồ thị đặc tính P-V pin mặt trời phụ thuộc cường độ chiếu sáng nhiệt độ không đổi 45 ` Hình III.2 Đồ thị đặc tính I-V pin mặt trời 46 Hình III.3 Điểm làm việc cơng suất cực đại MPP pin mặt trời 46 Hình III.4 Ngun lý tìm điểm cơng suất cực đại MPP pin mặt trời 48 Hình III.5 Hệ thống điện mặt trời 100kW kết nối lưới (mơ hình trung bình) 49 Hình III.6 Kết có MPPT giá trị điều khiển ban đầu D=0,5 50 Hình III.7 Kết khơng có MPPT giá trị điều khiển D=0,4 51 Hình III.8 Kết khơng có MPPT giá trị điều khiển D=0,5 52 Hình III.9 Kết khơng có MPPT giá trị điều khiển D=0,6 53 Hình IV.1 Mơ hình hệ thống điện khảo sát 60 Hình IV.2 Lựa chọn loại pin cách kết nối (dãy nối tiếp song song) 61 Hình IV.3 Mơ hình dàn pin mặt trời thông số đo 61 Hình IV.4 Kịch thay đổi điều kiện mơi trường chậm 63 Hình IV.5 Kịch thay đổi điều kiện môi trường nhanh 63 Hình IV.6 Kết vận hành P&O môi trường thay đổi chậm 67 Hình IV.7 Kết vận hành P&O mơi trường thay đổi nhanh 68 Hình IV.8 Kết vận hành INC môi trường thay đổi chậm 72 Hình IV.9 Kết vận hành INC môi trường thay đổi nhanh 73 Hình IV.10 Thuật tốn INC cải tiến Matlab/Simulink 74 Hình IV.11 Kết vận hành INC cải tiến môi trường thay đổi chậm 75 Hình IV.12 Kết vận hành INC cải tiến môi trường thay đổi nhanh 76 ` Hình IV.7 Kết vận hành P&O môi trường thay đổi nhanh Từ kết ta thấy MPPT điều chỉnh tín hiệu D môi trường thay đổi để công suất tác dụng phát PV đạt cực đại Tốc độ đạt công suất cực đại diễn nhanh, khoảng 0,01s So sánh hai trường hợp dễ thấy trường hợp môi trường thay đổi chậm liên tục khiến cho điện áp làm việc công suất điện mặt trời dao động nhiều so với trường hợp môi trường thay đổi nhanh khơng liên tục 68 ` IV.4 Sử dụng thuật tốn INC Sử dụng lưu đồ trình bày hình III.11 chương III, thuật tốn INC lập trình thành hàm sau: function D = INC(Param,Enabled,V,I) Dinit = Param(1); Dmax = Param(2); Dmin = Param(3); deltaD = Param(4); persistent Vold Iold Dold; dataType = 'double'; if isempty(Vold) Vold=0; Iold=I; Dold=Dinit; end dV= V - Vold; dI= I - Iold; if Enabled ~=0 if dV ~= if (I+V*dI/dV) ~= if (I+V*dI/dV) > D = Dold - deltaD; 69 ` else D = Dold + deltaD; end else D=Dold; end else if dI ~= if dI > D = Dold + deltaD; else D = Dold - deltaD; end else D=Dold; end end else D=Dold; end if D >= Dmax | D 0,5 giá trị cộng tiếp tới giới hạn Dead Zone - Giá trị thu qua tích phân tiếp tới toán tử Switch để phân loại trường hợp: + Nếu Delta_D < 0,5 giá trị trả + Nếu Delta_D > 0,5 giá trị thu cuối Delta_D 82 ... - Tìm hiểu nguồn gốc, lịch sử phát triển pin mặt trời - Nghiên cứu hệ thống điện mặt trời kết nối lưới - So sánh, phân tích ưu, nhược điểm thuật tốn tìm điểm cơng suất cực đại hệ thống điện mặt. .. quan nghiên cứu phát triển hệ thống điện mặt trời Chương 2: Mơ hình thống điện mặt trời kết nối lưới yếu tố ảnh hưởng Chương 3: Tìm hiểu số phương pháp, thuật tốn tìm điểm cơng suất cực đại cho thống. .. suất cực đại (MPPT) cho hệ thống điện mặt trởi kết nối lưới? ?? Đối tượng phạm vi nghiên cứu Việc hòa lưới điện mặt trời, đặc biệt cơng suất điện mặt trời lớn gây ảnh hưởng đến lưới điện nguyên nhân: