Pin quang điện và vấn đề kết nối lưới điện

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN THÀNH PIN QUANG ĐIỆN VÀ VẤN ĐỀ KẾT NỐI LƯỚI ĐIỆN Chuyên ngành : THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 11 năm 2008 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - - - - - - - - - - -Y W- - - - - - - - - - LUẬN VĂN THẠC SĨ HỆ THỐNG PIN QUANG ĐIỆN VÀ VẤN ĐỀ KẾT NỐI LƯỚI ĐIỆN GVGD KHÓA THỰC HIỆN MSHV : PGS TS NGUYỄN HỮU PHÚC : TB-M-NMĐ 2005 : NGUYỄN THÀNH : 01805467 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, THÁNG 11 NĂM 2008 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học : PGS-TS-NGUYỄN HỮU PHÚC (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc -oOo Tp HCM, ngày tháng năm NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN THÀNH Giới tính : Nam Ngày, tháng, năm sinh : 17-12-1978 Nơi sinh: TP.Hồ Chí Minh Chuyên ngành : Thiết Bị Mạng Nhà Máy Điện MSHV: 01805467 Khoá (Năm trúng tuyển) : 2005 1- TÊN ĐỀ TÀI: PIN QUANG ĐIỆN VÀ VẤN ĐỀ KẾT NỐI LƯỚI ĐIỆN 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: Tìm hiểu hệ thống pin quang điện, phân tích hệ MPPT, ứng dụng mạng ANFIS điều kiển hệ MPPT Mô hệ quang điện kết nối lưới điện, so sánh phân tích kết đạt 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 30-06-2008 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 30-11-2008 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS-TS NGUYỄN HỮU PHÚC CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH PGS-TS NGUYỄN HỮU PHÚC Nội dung đề cương Luận văn thạc sĩ Hội Đồng Chun Ngành thơng qua Ngày TRƯỞNG PHỊNG ĐT– SĐH tháng năm TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn người hướng dẫn mình, PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc tận tình hướng dẫn động viên thực đề tài này, cán phịng thí nghiệm Kỹ Thuật Điện hướng dẫn nhiệt tình lời khuyên hữu ích Cuối cùng, tơi xin cảm ơn gia đình bạn bè hỗ trợ, động viên suốt thời gian thực đề tài Nguyễn Thành DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ANFIS: Adaptive Neutral Fuzzy Inference System CC-VSI: Bộ nghịch lưu áp điều khiển dòng điện IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor MPP: Điểm công suất cực đại MPPT: Dị điểm cơng suất cực đại MOSFET: Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) PV: Photovoltaic P&O: Perturb & Observe PWM: Điều chế độ rộng xung RMS: Giá trị hiệu dụng SVPWM: Điều chế vector khơng gian TĨM TẮT LUẬN VĂN Ngày nay, lĩnh vực lượng tái tạo thu hút quan tâm nhiều quốc gia giới nhằm đáp ứng nhu cầu lượng tương lai Các công nghệ lượng tái tạo ngày phát triển, đáng tin cậy, có giá thành cạnh tranh với máy phát điện sử dụng nhiên liệu cổ điển Giá thành công nghệ lượng tái tạo có khuynh hướng giảm dự báo giảm mạnh nhu cầu sản lượng tăng lên Có nhiều nguồn lượng tái tạo lượng sinh khối (biomass), mặt trời (solar), gió (wind), thủy điện nhỏ (minihydro) thủy triều (tidal) nội dung luận văn tập trung vào điện mặt trời Nội dung luận văn nghiên cứu, tìm hiểu hệ thống pin quang điện, phân tích phương pháp điều khiển truy tìm điểm tối ưu cơng suất “MPPT” (Maximum Power Point Tracking) Có nhiều cách khác để điều khiển MPPT giải thuật P&O, INC, CV … thông thường sử dụng hệ điều khiển MPPT theo giải thuật P&O Tuy nhiên giải thuật P&O vấn đề thời gian đáp ứng chậm, chưa xác điều kiện môi trường thay đổi nhanh, tồn dao động xung quanh điểm MPP Một phương pháp điều khiển MPPT khác đề nghị ứng dụng mạng ANFIS để điều khiển truy tìm điểm tối ưu công suất “MPPT” với ưu điểm: đạt hiệu chuyển hóa lượng tối đa, tốc độ đáp ứng nhanh, phương pháp điều khiển đơn giản, phù hợp với xu hướng phát triển công nghệ Khi tiến hành mô hệ quang điện kết nối lưới điện để so sánh hai phương pháp điều khiển MPPT (P&O ANFIS) kết thu tốt cải thiện độ méo dạng sóng hài (THD) MỤC LỤC CHƯƠNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ PIN QUANG ĐIỆN 1.1 Năng lượng mặt trời .2 1.2 Cấu tạo nguyên lý hoạt động pin quang điện 1.2.1 Pin quang điện (PV) 1.2.2 Mạch tương đương pin PV 1.2.3 Mạch PV có tính đến tổn hao .7 1.2.4 Môđun PV 1.2.5 Hệ pin PV : 1.3 Điểm làm việc có cơng suất cực đại (MPP) điều khiển MPPT ……… 11 1.3.1 Điểm làm việc có cơng suất cực đại (MPP): 11 1.3.2 Bộ điều khiển MPPT: 12 1.3.3 Bộ biến đổi DC/DC (Boost converter): 13 1.4 Các phương pháp điều khiển dị tìm cơng suất cực đại (MPPT) 17 1.4.1 Sự cần thiết phải dị tìm MPPT 17 1.4.2 Làm để đạt điểm công suất cực đại 17 1.4.3 Các phương pháp điều khiển MPPT: 18 CHƯƠNG 24 HỆ QUANG ĐIỆN KẾT NỐI LƯỚI ĐIỆN 24 2.1 Giới thiệu 24 2.2 Bộ nghịch lưu cho hệ quang điện kết nối lưới điện .25 2.2.1 Bộ nghịch lưu: 25 2.2.2 Các cấu hình hệ thống 27 2.2.3 Những đặc tính nghịch lưu tương thích với lưới điện 28 2.3 Mô pin quang điện kết nối lưới điện: 29 CHƯƠNG 32 XÂY DỰNG HỆ ANFIS ĐỂ ĐIỀU KHIỂN MPPT 32 3.1 Giới thiệu hệ suy diễn neural – fuzzy thích nghi 32 3.1.1 Cấu trúc hệ suy diễn neural – fuzzy thích nghi .32 3.1.2 Thuật toán lai huấn luyện mạng ANFIS 34 3.2 Trình tự thực 36 3.3 Phân tích liệu 36 3.4 Xây dựng hệ anfis ước lượng điện áp điều khiển MPPT .37 3.5 Đánh giá kết 41 CHƯƠNG 44 MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ THỰC HIỆN 44 4.1 Mô pin quang điện ………44 4.2 Mô mạch tăng áp DC/DC (Boost converter): .……… 47 4.3 Mô điều khiển MPPT dùng giải thuật P&O: 48 4.4 Mô điều khiển MPPT sử dụng mạng ANFIS : 50 4.5 Mô kết nối lưới điện: 54 4.6 So sánh kết mô điều khiển MPPT: ……….56 CHƯƠNG 62 KẾT LUẬN .62 5.1 Luận văn giải vấn đề: 62 5.2 Kết đạt 62 5.3 Những vấn đề tồn 63 5.4 Phương hướng phát triển .63 PHỤ LỤC : 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO SỐ LIỆU HUẤN LUYỆN MẠNG ANFIS SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB CHƯƠNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ PIN QUANG ĐIỆN 1.1 Năng lượng mặt trời 1.2 Cấu tạo nguyên lý hoạt động pin quang điện .4 1.2.1 Pin quang điện (PV) 1.2.2 Mạch tương đương pin PV 1.2.3 Mạch PV có tính đến tổn hao .7 1.2.4 Môđun PV 1.2.5 Hệ pin PV : 1.3 Điểm làm việc có cơng suất cực đại (MPP) điều khiển MPPT 11 1.3.1 Điểm làm việc có công suất cực đại (MPP): 11 1.3.2 Bộ điều khiển MPPT: .12 1.3.3 Bộ biến đổi DC/DC (Boost converter): 13 1.4 Các phương pháp điều khiển dị tìm cơng suất cực đại (MPPT) 17 1.4.1 Sự Cần Thiết Phải Dị Tìm MPPT 17 1.4.2 Làm Thế Nào Để Đạt Được Điểm Công Suất Cực Đại 17 1.4.3 Các phương pháp điều khiển MPPT: .18 58 Hình 4.14: So sánh điện áp, dịng điện, cơng suất pin quang điện sử dụng giải thuật P&O mạng ANFIS 59 Hình 4.15: So sánh điện áp pin quang điện, chênh lệch công suất/môđun sử dụng giải thuật P&O mạng ANFIS Hình 4.16: Đánh giá độ méo dạng (THD) sóng hài điện áp kết nối lưới sử dụng giải thuật P&O mạng ANFIS 60 Theo bảng tóm tắt kết so sánh, lượng thu từ pin quang điện thời gian mô diễn 3s là: • Điều khiển MPPT sử dụng giải thuật P&O: 101.7 (Watt-second) • Điều khiển MPPT sử dụng mạng ANFIS : 104.4 (Watt-second) Như tỷ lệ so sánh trường hợp là: (104.4 /101.7) * 100(%) = 102,6 (%) Hiệu chuyển hóa mặt lượng cao độ méo dạng sóng hài điện áp ngõ cải thiện áp dụng phương pháp điều khiển MPPT mạng ANFIS 61 CHƯƠNG 62 KẾT LUẬN 62 5.1 Luận văn giải vấn đề: 62 5.2 Kết đạt 62 5.3 Những vấn đề tồn .63 5.4 Phương hướng phát triển .63 62 CHƯƠNG KẾT LUẬN 5.1 Những vấn đề giải luận văn: Nghiên cứu, tìm hiểu hệ thống pin quang điện vấn đề kết nối lưới điện Tìm hiểu mạng ANFIS Đề xuất xây dựng hệ điều khiển MPPT sở mạng ANFIS Mô hệ thống điều khiển MPPT với phần mềm Matlab Mô hệ pin quang điện kết nối lưới điện 5.2 Kết đạt Điều khiển MPPT sử dụng mạng ANFIS cho hiệu mặt chuyển hóa lượng cao giải thuật P&O điều kiện môi trường với cường độ xạ nhiệt độ thay đổi lớn biên độ nhanh kể thời gian ngắn thời gian dài Đáp ứng điều khiển sử dụng mạng ANFIS nhanh, gần tức thời, sử dụng giải thuật P&O cần khoảng thời gian điều chỉnh định để đạt điện áp điểm MPP Ngay điều kiện môi trường (nhiệt độ, cường độ xạ) không thay đổi, điện áp điều khiển pin quang điện giải thuật P&O dao động (xung quanh điện áp điểm MPP), ổn định Trong điện áp điều khiển pin quang điện mạng ANFIS khơng thay đổi Đây nguyên nhân gây sóng hài bậc cao ngịch lưu DC/AC nối lưới Quá trình huấn xây dựng luyện mạng ANFIS đơn giản chí phí ngày thấp hơn, xây dựng giải thuật P&O phức tạp 63 Khi sử dụng điều khiển MPPT sử dụng ANFIS, độ méo dạng THD điện áp lưới thấp so với sử dụng với phương pháp P&O 5.3 Những vấn đề cịn tồn Chưa xét đến q trình q độ nối lưới Chưa thi công kiểm chứng lý thuyết mô Chưa xét đến số tượng tác động nối lưới (phát công suất kháng, tượng cô lập, bảo vệ rơle, ngắn mạch, điện áp, tần số, nhận dạng xử lý tương nhảy pha, khử sóng hài) 5.4 Phương hướng phát triển Xây dựng mơ hình thực nghiệm dùng trí tuệ nhân tạo để điều khiển MPPT Xây dựng mơ hình thực nghiệm kết nối lưới Nghiên cứu giải pháp khắc phục tượng cô lập, tượng ngắn mạch, bảo vệ rơle, bù công suất phản kháng, điện áp, tần số, nhận dạng xử lý tương nhảy pha, khử sóng hài Phát triển xây dựng hệ pin quang điện kết nối lưới khơng có biến đổi DC/DC 64 PHỤ LỤC 1: Tài liệu tham khảo [1] C.V.Nayar, S.M.Islam, Hari Sharma, Power Electronics for Renewable Energy Source, University of Technology & Murdoch University, Perth, Western Australia, Australia [2] Francisco M González-Longatt, Model of Photovoltaic Module in Matlab, 2005 [3] Dezso Sera et al, Improved MPPT algorithms for rapidly changing eviromental conditions [4] Gilbert, 2004, Chapter 8, Chapter 9, Renewable and efficient electric power systems [5] PGS Tiến sĩ Nguyễn Văn Nhờ, ĐHBK TPHCM , Điện tử công suất 1, 2005 [6] Tiến sĩ Huỳnh Thái Hoàng, ĐHBK TPHCM, Hệ thống điều khiển thông minh, 2006 [7] Trang web http://www.solarex.it [8] Phần mềm Matlab, The MathWorks, Inc 65 PHỤ LỤC 2: Số liệu huấn luyện mạng ANFIS G (kW/m2) 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.1000 0.1000 0.1000 0.1000 0.1000 0.1000 0.1000 0.1000 0.1000 0.1000 0.2000 0.2000 0.2000 0.2000 0.2000 0.2000 0.2000 0.2000 0.2000 0.2000 0.3000 0.3000 0.3000 0.3000 0.3000 0.3000 0.3000 0.3000 0.3000 0.3000 0.4000 0.4000 0.4000 0.4000 T (0C) Vm(V) 20.0000 25.0000 30.0000 35.0000 40.0000 45.0000 50.0000 55.0000 60.0000 65.0000 20.0000 25.0000 30.0000 35.0000 40.0000 45.0000 50.0000 55.0000 60.0000 65.0000 20.0000 25.0000 30.0000 35.0000 40.0000 45.0000 50.0000 55.0000 60.0000 65.0000 20.0000 25.0000 30.0000 35.0000 40.0000 45.0000 50.0000 55.0000 60.0000 65.0000 20.0000 25.0000 30.0000 35.0000 00.0000 00.0000 00.0000 00.0000 00.0000 00.0000 00.0000 00.0000 00.0000 00.0000 15.8000 15.4000 15.0000 14.6000 14.2000 13.8000 13.4000 13.0000 12.5000 12.1000 16.4000 16.0000 15.6000 15.2000 14.8000 14.4000 14.0000 13.6000 13.3000 12.9000 16.8000 16.4000 16.0000 15.6000 15.2000 14.8000 14.4000 14.0000 13.6000 13.2000 17.0000 16.6000 16.2000 15.8000 G (kW/m2) 0.5000 0.5000 0.5000 0.5000 0.5000 0.6000 0.6000 0.6000 0.6000 0.6000 0.6000 0.6000 0.6000 0.6000 0.6000 0.7000 0.7000 0.7000 0.7000 0.7000 0.7000 0.7000 0.7000 0.7000 0.7000 0.8000 0.8000 0.8000 0.8000 0.8000 0.8000 0.8000 0.8000 0.8000 0.8000 0.9000 0.9000 0.9000 0.9000 0.9000 0.9000 0.9000 0.9000 0.9000 T (0C) Vm(V) 45.0000 50.0000 55.0000 60.0000 65.0000 20.0000 25.0000 30.0000 35.0000 40.0000 45.0000 50.0000 55.0000 60.0000 65.0000 20.0000 25.0000 30.0000 35.0000 40.0000 45.0000 50.0000 55.0000 60.0000 65.0000 20.0000 25.0000 30.0000 35.0000 40.0000 45.0000 50.0000 55.0000 60.0000 65.0000 20.0000 25.0000 30.0000 35.0000 40.0000 45.0000 50.0000 55.0000 60.0000 15.2000 14.8000 14.4000 14.0000 13.7000 17.2000 16.8000 16.5000 16.1000 15.7000 15.3000 14.9000 14.5000 14.2000 13.8000 17.3000 16.9000 16.5000 16.1000 15.8000 15.4000 15.0000 14.6000 14.3000 13.9000 17.3000 17.0000 16.6000 16.2000 15.8000 15.4000 15.1000 14.7000 14.3000 14.0000 17.4000 17.0000 16.6000 16.2000 15.9000 15.5000 15.1000 14.7000 14.4000 66 G (kW/m2) 0.4000 0.4000 0.4000 0.4000 0.4000 0.4000 0.5000 0.5000 0.5000 0.5000 0.5000 T (0C) Vm(V) 40.0000 45.0000 50.0000 55.0000 60.0000 65.0000 20.0000 25.0000 30.0000 35.0000 40.0000 15.4000 15.0000 14.6000 14.3000 13.9000 13.5000 17.1000 16.7000 16.3000 16.0000 15.6000 G (kW/m2) 0.9000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 T (0C) Vm(V) 65.0000 20.0000 25.0000 30.0000 35.0000 40.0000 45.0000 50.0000 55.0000 60.0000 65.0000 14.0000 17.4000 17.0000 16.6000 16.3000 15.9000 15.5000 15.2000 14.8000 14.4000 14.0000 67 PHỤ LỤC 3: Sơ đồ mô Simulink Matlab Sơ đồ mô mạch biến đổi DC/DC (Boost Converter) Sơ đồ mô điều khiển MPPT sử dụng mạng ANFIS 68 Sơ đồ mô điều khiển MPPT theo giai thuat P&O 69 Sơ đồ mô so sánh điều khiển MPPT theo giải thuật P&O sử dụng mạng ANFIS 70 Sơ đồ mô hệ quang điện kết nối lưới điện Sơ đồ mô hệ điều khiển kết nối lưới điện 71 Sơ đồ mô điều chế PWM Sơ đồ mô đo đếm xuất kết 72 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: NGUYỄN THÀNH Ngày, tháng, năm sinh: 17-12-1978 Nơi sinh: Quảng Nam Địa liên lạc: Căn hộ 408, Lô 6, Chung cư Phú Thọ, Phường 15, Quận 11, Thành Phố.Hồ Chí Minh Q trình đào tạo: • Tốt nghiệp hệ Đại Học, Trường ĐH Bách Khoa, Khoa Điện-Điện Tử, Niên Khóa 1996-2001 • Tham gia chương trình Cao Học, Trường ĐH Bách Khoa, Khoa Điện Điện Tử, Chuyên ngành: Thiết Bị Mạng Nhà Máy Điện, Khóa 2005 Q trình cơng tác: • Cơng tác Trung Tâm Tư Vấn Thiết Kế Điện – Công ty Điện Lực 2, từ năm 2001 ... điện kết nối lưới điện: 29 24 CHƯƠNG HỆ QUANG ĐIỆN KẾT NỐI LƯỚI ĐIỆN 2.1 Giới thiệu Một xu hướng nghiên cứu gần hệ quang điện kết nối lưới điện Điện lấy từ hệ quang điện kết nối lưới chưa... Bị Mạng Nhà Máy Điện MSHV: 01805467 Khoá (Năm trúng tuyển) : 2005 1- TÊN ĐỀ TÀI: PIN QUANG ĐIỆN VÀ VẤN ĐỀ KẾT NỐI LƯỚI ĐIỆN 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: Tìm hiểu hệ thống pin quang điện, phân tích hệ... nhiều nơi giới Hệ quang điện kết nối lưới phân loại sau: 2.2 - Hệ quang điện kết nối lưới gắn mái nhà - Hệ thống quy mô sử dụng lớn Bộ nghịch lưu cho hệ quang điện kết nối lưới 2.2.1 Bộ nghịch