Mô hình và mô phỏng hệ thống năng lượng mặt trời kết nối lưới

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA _ ĐỖ NHẬT QUANG MƠ HÌNH VÀ MƠ PHỎNG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KẾT NỐI LƯỚI (MODELING AND SIMULATION OF GRID CONNECTED SOLAR PV SYSTEM) Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số ngành: 8520201 LUẬN VĂN THẠC SĨ Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2020 CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HỒN THÀNH TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán hƣớng dẫn khoa học : PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : PGS.TS Nguyễn Đình Tuyên (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : TS Huỳnh Văn Vạn (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ Trƣờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 22 tháng năm 2020 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) PGS.TS Phan Quốc Dũng - Chủ tịch PGS.TS Nguyễn Đình Tuyên - Phản biện TS Huỳnh Văn Vạn - Phản biện TS Trƣơng Phƣớc Hòa - Thƣ ký TS Trần Thanh Ngọc - Ủy viên Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trƣởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn đƣợc sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA………… ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên:ĐỖ NHẬT QUANG MSHV: 1870359 Ngày, tháng, năm sinh: 28/06/1994 Nơi sinh: Quy Nhơn, Bình Định Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số : 8520201 I TÊN ĐỀ TÀI: Mơ hình mơ hệ thống lƣợng mặt trời kết nối lƣới (Modelling and simulation of grid connected solar PV system) II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Nghiên cứu tổng quan sở lý thuyết hệ lƣợng mặt trời - Nghiên cứu tổng quan chuyển đổi lƣợng từ DC – DC (bộ boost converter) DC – AC (bộ inverter) - Nghiên cứu mô thuật toán nhiễu loạn quan sát (Perturb and Observe) gia tăng tổng dẫn (Incremental Conductance) DC-DC - Nghiên cứu mô biến đổi DC-AC (bộ Inverter) nối lƣới sử dụng phƣơng pháp VOC để điều khiển công suất bơm lên lƣới III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 5/2/2020 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 3/8/2020 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ Tp HCM, ngày tháng năm 2020 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ TRƯỞNG KHOA Lời cảm ơn Để luận văn đạt kết tốt đẹp, em nhận đƣợc nhiệt tình giúp đỡ thầy cơ, quan, tổ chức, cá nhân Với lòng biết ơn chân thành nhất, cho phép em đƣợc gửi lời cảm ơn sâu sắc đến tất thầy cô, cá nhân quan tạo điều kiện giúp đỡ em trình học tập làm luận văn Trƣớc hết, cho em xin đƣợc gửi tới thầy cô khoa Điện- Điện tử trƣờng Đại học Bách Khoa lời chào trân trọng nhất, với lời chúc sức khỏe lời cảm ơn sâu sắc Nhờ quan tâm, dạy dỗ bảo nhiệt tình chu đáo thầy cơ, em hồn thành luận văn Đặc biệt, cho em xin đƣợc gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo– PGS TS Nguyễn Văn Nhờ quan tâm giúp đỡ bảo, hƣớng dẫn em làm luận văn thời gian qua Và cuối cùng, em xin đƣợc bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến lãnh đạo Trƣờng Đại học Bách Khoa, Khoa, Phòng ban chức tạo điều kiện giúp đỡ em suốt trình học tập làm luận văn Với điều kiện vốn kiết thức cịn hạn chế học viên, luận văn khơng thể tránh đƣợc nhiều thiếu sót Vì em mong nhận đƣợc bảo thầy cô để em nâng cao kiến thức thân, phục vụ tốt q trình cơng tác em sau TĨM TẮT Đề tài “Mơ hình mơ hệ thống điện mặt trời kết nối lƣới” tìm hiểu pin mặt trời, biến đổi điện áp chiều, nghịch lƣu pha PWM giải thuật dị tìm điểm cơng suất cực đại (MPPT), giải thuật điều khiển nghịch lƣu nối lƣới Sau đƣa mơ hình tiến hành mơ chúng Bài luận văn gồm có chƣơng Chƣơng I giới thiệu tính cần thiết đề tài mục tiêu nghiên cứu Chƣơng II giới thiệu lƣợng xạ mặt trời, pin mặt trời hệ thống pin mặt trời Chƣơng III giới thiệu biến đổi hệ thống điện mặt trời nối lƣới bao gồm biến đổi chiều, nghịch lƣu PWM Chƣơng IV tìm hiểu thuật tốn dị tìm điểm cơng suất cực đại, cụ thể hai thuật toán quan sát nhiễu loạn (P&O) thuật toán tăng tổng dẫn (INC) Chƣơng V tìm hiểu thuật tốn định hƣớng điện áp (VOC) cho nghịch lƣu pha PWM nhằm đồng với điện áp lƣới điều khiển công suất đƣa lên lƣới điện Chƣơng VI tiến hành mô kết mô hệ thống điện mặt trời phần mềm Matlab Chƣơng VII kết luận kết đạt đƣợc ABSTRACT The topic "Modeling and simulation of grid connected solar PV system" is the study of solar cells, DC voltage converters, 3-phase PWM inverters and maximum power point tracking algorithms(MPPT), algorithm for grid inverter The thesis consists of chapters Chapter I is an introduction to the necessity of the topic and research objectives Chapter II introduces solar radiation, solar photovoltaic cells and photovoltaic systems Chapter III introduces the converters in grid-connected solar power systems including DC converters, PWM inverters Chapter IV explores the maximum power point tracking algorithm, specific is Perturb and Observe algorithms (P&O) and Incremental Conductance algorithm (INC) Chapter V is about the Voltage Oriented Control (VOC) for the 3-phase PWM inverter to synchronize with the grid voltage and control the power put on the grid Chapter VI is conducting the simulation and results of solar power system simulation on Matlab software Chapter VII concludes the results achieved LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan đề tài nghiên cứu thân dƣới hƣớng dẫn PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ Các kết nghiên cứu kết luận nêu để tài trung thực không chép từ nguồn dƣới hình thức Việc tham khảo tài liệu đƣợc thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo theo yêu cầu TP Hồ Chí Minh, ngày 02 tháng 08 năm 2020 Ngƣời thực đề tài Đỗ Nhật Quang MỤC LỤC Trang bìa Nhiệm vụ luận văn Lời cảm ơn Tóm tắt Lời cam đoan Mục lục Liệt kê hình vẽ CHƢƠNG I: GIỚI THIỆU………………………………………………………….1 Tính cần thiết đề tài………………………………………………….1 Nhiệm vụ luận văn……………………………………………………….2 a Phạm vi nghiên cứu………………………………………………… b Mục tiêu nghiên cứu………………………………………………….2 c Phƣơng pháp nghiên cứu…………………………………………… CHƢƠNG II: TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN MẶT TRỜI………………………………4 Năng lƣợng xạ mặt trời…………………………………………………4 Tính tốn lƣợng mặt trời………………………………………………8 Cấu tạo hoạt động pin mặt trời………………………………………9 a) Hiệu ứng quang điện…………………………………………………….9 b) Hiệu xuất trình biến đổi quang điện………………………… 12 c) Cấu tạo pin mặt trời…………………………………………………….13 Mơ hình pin mặt trời……………………………………………………….14 Các loại hệ thống pin mặt trời…………………………………………… 16 a) Hệ PV độc lập………………………………………………………… 16 b) Hệ PV kết nối lƣới…………………………………………………… 17 Các tiêu chuẩn kết nối lƣới hệ thống điện mặt trời…………………….19 CHƢƠNG III: CÁC BỘ BIẾN ĐỔI NĂNG LƢỢNG TRONG HỆ THỐNG PIN MẶTTRỜI……………… 21 Bộ biến đổi DC-DC……………………………………………………… 21 1.1 Bộ tăng áp (Boost Converter)……………………………………….22 1.2 Bộ giảm áp (buck converter)……………………………………… 26 1.3 Bộ tăng giảm điện áp (Buck-Boost Converter)…………………… 29 Bộ biến đổi DC/AC……………………………………………………… 31 2.1 Nghịch lƣu áp pha……………………………………………… 31 2.2 Nghịch lƣu áp pha……………………………………………… 33 Phƣơng pháp điều chế độ rộng xung (PWM)…………………………… 36 CHƢƠNG IV: THUẬT TỐN DỊ TÌM ĐIỂM CƠNG SUẤT CỰC ĐẠI………40 Giới thiệu chung………………………………………………………… 40 Nguyên lý cân tải…………………………………………………….41 Thuật toán điều khiển…………………………………………………… 42 3.1 Thuật toán Perturb & Observe (P&O)…………………………… 43 3.2 Thuật toán tăng tổng dẫn (Incremental Conductance – INC)…… 46 CHƢƠNG V: PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƢU NỐI LƢỚI 49 Chuyển đổi hệ quy chiếu………………………………………………… 49 Phƣơng pháp điều khiển định hƣớng điện áp (VOC)…………………… 54 CHƢƠNG VI: XÂY DỰNG MƠ HÌNH VÀ MƠ PHỎNG HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI KẾT NỐI LƢỚI TRONG MATLAB SIMULIN…………… 56 Tấm pin mặt trời………………………………………………………… 56 Bộ biến đổi DC-DC……………………………………………………… 59 Mạch nghịch lƣu pha nối lƣới hệ thống PV kết nối lƣới…………… 67 CHƢƠNG VII: KẾT LUẬN………………………………………………………83 Tài liệu tham khảo…………………………………………………………………85 Danh sách viết tắt PV – (Photovoltaic) pin mặt trời, biến quang thành điện P&O – (Perturb & Observe) thuật toán quan sát nhiễu loạn để đạt đƣợc điểm cực đại INC – (Incremental Conductance) thuật toán tăng tổng dẫn để đạt đƣợc điểm cực đại MPPT – (Maximum Power Point Tracking) dị tìm điểm làm việc có cơng suất cực đại PWM – (pulse width modulation) phƣơng pháp điều chế độ rộng xung VOC – (Voltage Oriented Control) phƣơng pháp điều định hƣớng điện áp Danh sách hình vẽ Hình 2.1 Góc nhìn Mặt Trời……………………………………………… Hình 2.2 Q trình tuyền lƣợng xạ mặt trời qua lớp khí Trái Đất……………………………………7 Hình 2.3 Nhật kế xạ……………………………………………………… Hình 2.4 Trực xạ kế……………………………………………………… Hình 2.5 Hệ mức lƣợng…………………………………………….10 Hình 2.6 Các vùng lƣợng…………………………………………….11 Hình 2.7 Nguyên lý hoạt động pin mặt trời………………………… 12 Hình 2.8 Quan hệ η(Eg)…………………………………………………….13 Hình 2.9 Sụt áp điện trở nối tiếp……………………………………… 15 Hình 2.10 Ảnh hƣởng điện trở song song Rp………………………….15 73 Hình 6.28 Điện áp dãy pin mặt trời Hình 6.29 Cơng suất dãy pin mặt trời 74 Hình 6.30 Điện áp Vdc-link Hình 6.31 Đồ thị hệ số điều khiển D mạch Boost 75 Hình 6.32 Công suất tác dụng công suất phản kháng đƣa lên lƣới hệ thống PV Hình 6.33 Đồ thị điện áp dòng điện Inverter Nhận xét: công suất dãy pin công suất đƣa lên lƣới đạt cực đại 53kW, điện áp dãy pin mặt trời 290V Ở điều kiện Ir=1000W/m2 phƣơng pháp điều khiển P&O INC cho kết giống 76 Thực mơ với thuật tốn P&O điều kiện xạ Ir=1000W/m2 Ir=500W/m2 với T=250C Hình 6.34 Điện áp dãy pin mặt trời Hình 6.35 Cơng suất dãy pin mặt trời 77 Hình 6.36 Điện áp Vdc-link Hình 6.37 Đồ thị hệ số điều khiển D mạch Boost 78 Hình 6.38 Công suất tác dụng công suất phản kháng đƣa lên lƣới hệ thống PV Hình 6.39 Đồ thị điện áp dòng điện Inverter Nhận xét: Trong điều kiện sáng khác 1000W/m2 500W/m2 cơng suất dãy pin cơng suất đƣa lên lƣới hệ thống đạt mức cực đại 53kW 27kW Điện áp đầu dãy pin trƣờng hợp lần lƣợt 290V 305V Điện áp dòng điện Inverter đồng pha với nhau, đạt hệ số công suất 79 Thực mô với thuật toán INC điều kiện xạ Ir=1000W/m2 Ir=500W/m2 với T=250C Hình 6.40 Điện áp dãy pin mặt trời Hình 6.41 Cơng suất dãy pin mặt trời 80 Hình 6.42 Điện áp Vdc-link Hình 6.43 Đồ thị hệ số điều khiển D mạch Boost 81 Hình 6.44 Cơng suất tác dụng công suất phản kháng đƣa lên lƣới hệ thống PV Hình 6.45 Đồ thị điện áp dịng điện Inverter Nhận xét: Trong điều kiện sáng khác 1000W/m2 500W/m2 cơng suất dãy pin công suất đƣa lên lƣới hệ thống đạt mức cực đại 53kW 27kW Điện áp đầu dãy pin trƣờng hợp lần lƣợt 290V 305V Điện áp dòng điện Inverter đồng pha với nhau, đạt hệ số công suất 82 Từ kết mô ta thấy cƣờng độ xạ mặt trời nhiệt độ môi trƣờng thay đổi, hai thuật toán bám đƣợc MPP với thời gian nhanh Tuy nhiên, MPPT làm việc với thuật toán INC tốt so với thuật toán P&O, công suất dàn PV trƣờng hợp sử dụng thuật tốn INC bám sát cơng suất cực đại (MPP) hơn, hay nói cách khác phạm vi dao động quanh MPP nhỏ so với thuật toán P&O Thuật toán INC trình điều khiển MPPT, phản ứng nhanh xác hơn, đặc biệt dịng điện điện áp PV ổn định sử dụng thuật tốn P&O Vì vậy, việc sử dụng thuật tốn INC điều khiển MPPT hệ thống PV thích hợp 83 Chƣơng VII: KẾT LUẬN Kết đạt được: Xây dựng thuật tốn mơ thành cơng thuật tốn tìm điểm cơng suất cực đại P & O, thuật toán tăng tổng dẫn, thuật toán điều khiển kết nối lƣới VOC Mô thành công mơ hình gồm hệ thống pin mặt trời, thuật tốn tìm điểm cơng suất cực đại với biến đổi DC/DC thuật toán điều khiển nối lƣới với biến đổi DC/AC điều kiện chiếu sáng khác Những mặt hạn chế: Do đề tài thân, khả nhận thức hạn chế nên luận văn số khâu chƣa hồn chỉnh, cịn nhiều vấn đề chƣa đƣợc đề cập đến Vì thực mơ hình thực tế chắn có nhiều vấn đề phát sinh Tuy nhiên, tảng sở để xây dựng lƣợng mặt trời nƣớc ta tƣơng lai Ngoài giải thuật P & O, giải thuật tăng tổng dẫn hệ thống MPPT nhƣ trình bày cịn có nhiều giải thuật khác nhƣ : Fuzzy Logic Control, Neutral Network, DSP Với phát triển mạnh mẽ vi điều khiển nhƣ nay, giải thuật sớm đƣợc triển khai đáp ứng nhanh xác Tƣơng tự điều khiển nghịch lƣu ngồi phƣơng pháp điều khiển điều rộng xung PWM cịn nhiều phƣơng pháp điều khiển nhƣ phƣơng pháp điều chế vector không gian (Space Vector Pulse Width Modulation – SVPWM) Kế thừa nguyên lý phép điều chế độ rộng xung ứng dụng lý thuyết vector không gian, phƣơng pháp điều chế vector (SVPWM) đời nhằm tổ chức trạng thái đóng ngắt van bán dẫn, cho giá trị vector điện áp điều chế đƣợc tính tốn xấp xỉ với vector điện áp mong muốn 84 Hướng phát triển đề tài: - Nghiên cứu ảnh hƣởng dòng điện điện áp lên thiết bị khỉ hịa lƣới Và từ phát triển hệ thống điện mặt trời cơng suất lớn, hịa lƣới điện mặt trời vào lƣới điện quốc gia, giải vấn đề thiếu điện trầm trọng nhƣ - Nghiên cứu kết hợp lƣợng mặt trời lƣợng gió - Nhà nƣớc cần có sách đầu tƣ nhân lực, khuyến khích doanh nghiệp nƣớc để sản xuất thiết bị điện mặt trời nhằm làm giảm chi phí giả điện mặt trời cao nhƣ 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] TS Hoàng Dƣơng Hùng, Nguyễn Bốn , “Mặt trời lƣợng mặt trời”, Năng lượng mặt trời – Lý thuyết ứng dụng ,NXB Khoa học Kỹ thuật, 2007, pp 5-28 [2] S Sumathi, L Ashok Kumar, P Surekha, “Application of MATLAB/SIMULINK in Solar PV Systems”, Solar PV and Wind Energy Conversion Systems , Springer International Publishing, 2015, pp 59-140 [3] Nguyễn Quang Nam, “Điện tử công suất” [Trực tuyến],19/01/2010, địa chỉ: http://www4.hcmut.edu.vn/~nqnam/PE.php [Truy cập: 28/07/2020] [4] Sylvain LECHAT SANJUAN, “Voltage Oriented Control of Three‐ Phase Boost PWM Converters”, Master of Science Thesis in Electric Power Engineering, Chalmers University of Technology, Göteborg, Sweden, 2010 [5] V.C Kotak, Preti Tyagi, “DC to DC Converter in maximum power point tracker”, International Journal of Innovative Research in Science, Engineering and Technology, Vol 2, Issue 12, pp 6115-6125 ,December 2013 [6] Nguyễn Viết Ngƣ, Lê Thị Minh Tâm, Trần Thị Thƣờng, Nguyễn Xuân Trƣờng, “So sánh hai thuật toán INC P&O điều khiển bám điểm công suất cực đại hệ thống pin mặt trời cấp điện độc lập”, Tạp chí khoa Khoa học Phát triển, 2015, tập 13, số 8, pp 1452-1463 [7] Tarjei Midtsund, “Grid converters for photovoltaic and wind power systems”, Master's thesis, Norwegian University of Science and Technology, Norway, July 2010 86 [8] Thong-In Suyata,Sakorn Po -Ngam and Chanlit Tarasantisuk, “The Active Power and Reactive Power Control for Three-Phase Grid-Connected Photovoltaic Inverters”, 2015 12th International Conference on Electrical Engineering/Electronics, Computer, Telecommunications and Information Technology (ECTI-CON), Hua Hin, Thailand, June 2015, IEEE, 2015 87 TÓM TẮT LÝ LỊCH Họ tên: Đỗ Nhật Quang Ngày tháng năm sinh: 28/06/1994 Nơi sinh: Quy Nhơn, Bình Định Địa liên lạc: 29 Lý Tự Trọng, Quy Nhơn, Bình Định Q TRÌNH ĐÀO TẠO Tháng 09/2012 – tháng 04/2018: học tập kỹ sƣ khoa Điện – Điện tử, Đại học Bách khoa HCM Tháng 8/2018 – : học tập thạc sĩ khoa Điện – Điện tử, Đại học Bách khoa HCM QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC Tháng 4/2018 – : kĩ sƣ thiết kế vẽ điện công ty TNHH thành viên kỹ thuật Gouvis ... loại hệ thống pin mặt trời Hệ pin mặt trời (hệ PV – photovoltaic system) nhìn chung đƣợc chia làm loại bản: - Hệ PV độc lập - Hệ PV kết nối lƣới a) Hệ PV độc lập Các hệ thống PV độc lập hệ thống. .. chuẩn kết nối lƣới điện Các phƣơng pháp đƣợc giới thiệu chƣơng VI Các tiêu chuẩn nối lưới hệ thống điện mặt trời Để hệ thống điện mặt trời hoạt động an tồn, nối lƣới đƣợc hệ thống điện mặt trời. .. sóng hài - Hệ thống điện mặt trời đấu nối vào lƣới điện hạ áp phải nối đất trực tiếp - Hệ thống điện mặt trời phải tự ngắt kết nối xảy cố điện từ lƣới điện phân phối Hệ thống điện mặt trời phải