Nghiên cứu hệ thống điều khiển tối ưu điều phối điện năng trong hệ thống điện năng lượng mặt trời

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - NGÔ NHẬT HUY NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN, TỐI ƯU ĐIỀU PHỐI ĐIỆN NĂNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Đà Nẵng – Năm 2017 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - NGÔ NHẬT HUY NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN, TỐI ƯU ĐIỀU PHỐI ĐIỆN NĂNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số : 60.52.60 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS GIÁP QUANG HUY Đà Nẵng – Năm 2017 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu nêu luận văn có nguồn gốc rõ ràng, kết nghiên cứu trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tôi tự nghiên cứu, học hỏi dựa kiến thức học, làm việc nhận hỗ trợ Giáo viên hướng dẫn động viên từ gia đình Tác giả Ngơ Nhật Huy MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục tiêu mục đích nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn Cấu trúc luận văn CHƯƠNG - GIỚI THIỆU 1.1 Nhu cầu lượng 1.2 Sự cần thiết việc tiết kiệm điện 1.3 Các giải pháp đáp ứng nhu cầu lượng 1.4 Vai trò việc sử dụng lượng mặt trời hệ thống điện độc lập nối lưới CHƯƠNG - CẤU TRÚC HỆ THỐNG 12 2.1 Giới thiệu hệ thống 12 2.2 Cấu trúc phận cấu thành hệ thống 14 2.2.1 Microgrid 14 2.2.2 Cấu tạo hoạt động pin mặt trời (PV) 15 2.2.3 Bộ biến đổi DC/DC 28 2.2.4 Bộ biến đổi DC/AC 32 2.2.5 Pin (Ắc-quy) 33 2.3 Hệ thống giám sát nguồn lượng 34 2.4 Hoạt động hệ thống 35 2.4.1 Hệ PV độc lập 36 2.4.2 Hệ PV làm việc với lưới 39 2.4.3 Điều khiển biến đổi DC/DC 40 CHƯƠNG - MƠ HÌNH HÓA HỆ THỐNG 42 3.1 Pin mặt trời 42 3.2 Hệ thống pin lưu trữ lượng 46 3.3 Tải tiêu thụ 47 CHƯƠNG - QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG TỐI ƯU CHO HỆ THỐNG 48 4.1 Phương pháp tối ưu SLSQP 48 4.2 Xây dựng toán tối ưu 48 4.2.1 Mơ hình tối ưu hóa 48 4.2.2 Hàm mục tiêu ràng buộc 49 4.3 Áp dụng thuật toán SQP vào việc tối ưu lượng hệ thống 52 CHƯƠNG - MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ 53 5.1 Các giá trị tham số mô 53 5.2 Mô Python 53 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 PHỤ LỤC 59 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN, TỐI ƯU ĐIỀU PHỐI ĐIỆN NĂNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Học viên: NGÔ NHẬT HUY Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 60.52.60 Khóa: K33 (PFIEV) Trường Đại học Bách khoa-ĐHĐN Tóm tắt - Trong giai đoạn nay, lượng nói chung lượng điện nói riêng đóng vai trị quan trọng lĩnh vực đời sống kinh tế xã hội Nhu cầu sử dụng lượng Việt Nam lớn, nhiên lại bị hạn chế mặt lượng, đặc biệt lượng điện Chính việc sử dụng khai thác không hợp lý gây nhiều hậu nghiêm trọng Chi phí điện cho tải tiêu thụ chiếm tỉ lệ lớn, việc tìm giải pháp tiết kiệm lượng nhằm giảm chi phí nâng cao tính cạnh tranh sản phẩm thị trường điều quan tâm hàng đầu nhà sản xuất Đồng thời, việc giúp giảm tiêu tốn tài ngun thiên nhiên, góp phần tích cực vào việc bảo vệ môi trường Xuất phát từ thực tế này, tác giả tiến hành nghiên cứu để tìm giải pháp nhằm tối ưu hóa việc cung cấp điện từ hệ thống điện mặt trời cách: xác định cấu trúc mơ hình biểu thức tốn học phụ tải, từ xây dựng tốn tối ưu với hàm mục tiêu chi phí tối thiểu để chuyển đổi việc sử dụng nguồn lượng từ pin mặt trời cao điểm Tác giả tóm tắt kết đạt đưa hướng phát triển Từ khóa – Năng lượng; quản lý lượng; tối ưu hóa; hệ thống lượng, pin RESEARCHING CONTROL SYSTEM, OPTIMIZING ELECTRICITY COORDINATION IN SOLAR POWER ELECTRICITY SYSTEM Abstract - Today, energy in general and electricity in particular play a very important role in all fields of socio-economic life Demand for energy in Vietnam is very large, however, it is limited in source of energy, especially electrical energy Therefore, irrational use and exploitation cause serious consequences Power costs for loads are very high, so finding energy-saving solutions to reduce costs and improve the competitiveness of the product in the market are the target of manufacturers At the same time, it also reduces the expense of natural resources and contributes positively to the environment protection For this reason, the author has conducted research to find a solution to optimize the power supply from the solar power system by: determine the model structure and mathematical expressions of the load, thereby, building optimization problem with the objective function is the minimum cost to convert the use of solar energy in the peak hours The author has summarized the results obtained and give the development for the future Key words - Energy; energy management; optimization; power system; battery DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu Tên bảng Trang Bảng 1.1 Nhà máy điện mặt trời lớn giới tính đến tháng năm 2011 (Nguồn: Denis Lenardic, pvresources.com/Solarserver) Bảng 1.2 Các nhà máy điện Mặt trời Việt Nam 10 Bảng 4.1 Giá bán điện theo thời điểm sử dụng 51 DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu Tên hình Trang Hình 1.1 Biểu đồ tương quan kinh tế lượng 2005-2030 Hình 1.2 Nhà máy điện mặt trời Ivanpah California, nước Mỹ 10 Hình 1.3 Khởi cơng xây dựng nhà máy điện mặt trời Thiên Tân 11 Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống 12 Hình 2 Minh họa hoạt động lưới điện siêu nhỏ tách khỏi lưới điện tập trung 14 Hình Tế bào quang điện thông dụng làm từ tinh thể Silicon 16 Hình Hiệu ứng quang điện 17 Hình Nguyên lý hoạt động pin mặt trời 18 Hình Các pin mặt trời 19 Hình Đặc tính làm việc U - I pin mặt trời 20 Hình Sơ đồ tương đương pin mặt trời 20 Hình Đường đặc trưng theo độ chiếu sáng Pin mặt trời 21 Hình 10 Sự phụ thuộc đặc trưng V – A pin mặt trời vào cường độ xạ mặt trời 22 Hình 11 Sự phụ thuộc đặc tính pin mặt trời vào nhiệt độ 22 Hình 12 Điểm làm việc điểm cơng suất cực đại 23 Hình 13 Ghép nối hai modul mặt trời với 26 Hình 14 Đường đặc tính V-A modul hệ 26 Hình 15 Ghép song song hai modul pin mặt trời 27 Số hiệu Tên hình Trang Hình 16 Đường đặc trưng V-A modul hệ 28 Hình 17 Sơ đồ nguyên lý mạch Buck 30 Hình 18 Sơ đồ nguyên lý mạch Boost 32 Hình 19 Bộ biến đổi DC/AC pha dạng nửa cầu 33 Hình 20 Cấu trúc hệ thống giám sát nguồn lượng 34 Hình 21 Mơ hình hệ thống với đồng hồ đo lượng 35 Hình Giao diện lấy liệu xạ mặt trời từ PVgis 43 Hình Tìm kiếm vị trí cần khảo sát 44 Hình 3 Chọn thông số định dạng kết xuất liệu 44 Hình Dữ liệu thu thập xuất dạng file txt 45 Hình Mơ hình tối ưu hóa 49 Hình Cơng suất ba pha tất tải tiêu thụ 53 Hình Tổng công suất ba pha tải tiêu thụ 54 Hình Cơng suất thành phần tham gia hệ thống 54 Hình Cơng suất nguồn cung cấp tải tiêu thụ 55 Hình 5 Năng lượng pin trình tối ưu 55 MỞ ĐẦU LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Trong giai đoạn nay, lượng nói chung lượng điện nói riêng đóng vai trò quan trọng lĩnh vực đời sống kinh tế xã hội Nước ta nước phát triển, thế, nhu cầu sử dụng lượng lớn, nhiên lại bị hạn chế mặt lượng, đặc biệt lượng điện Chính việc sử dụng khai thác không hợp lý gây nhiều hậu nghiêm trọng Đứng trước tình hình ngày khan tài nguyên lượng, việc sử dụng lượng tiết kiệm hiệu ưu tiên hàng đầu sách lượng quốc gia Như biết, chi phí điện cho tải tiêu thụ chiếm tỉ lệ lớn Vì thế, việc tìm giải pháp tiết kiệm lượng nhằm giảm chi phí, giảm giá thành nâng cao tính cạnh tranh sản phẩm thị trường điều quan tâm hàng đầu nhà sản xuất Đồng thời, việc giúp giảm tiêu tốn tài ngun thiên nhiên, góp phần tích cực vào việc bảo vệ môi trường Nhận thức tầm quan trọng việc tiết kiệm lượng nói chung điện nói riêng tiết kiệm chi phí sử dụng lượng từ hệ thống pin mặt trời cao điểm, lý nghiên cứu, tính tốn giải pháp tiết kiệm điện cho hệ thống tải tiêu thụ điện MỤC TIÊU VÀ MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Mục tiêu: Xác định cấu trúc mơ hình biểu thức tốn học thành phần tham gia hệ thống tiêu thụ lượng, từ xây dựng tốn tối ưu cho hàm mục tiêu nhằm chuyển đổi sử dụng nguồn lượng từ pin mặt trời cao điểm - Mục đích: Giảm điện tiêu thụ từ lưới điện cao điểm, góp phần giảm thiểu chi phí mức thấp cho việc tiêu thụ lượng tải ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU - Đối tượng nghiên cứu: Các phụ tải tiêu thụ điện, hệ thống điện mặt trời độc lập, nối lưới - Phạm vi nghiên cứu: Các hệ thống tiêu thụ điện khu dân cư, hộ gia đình 54 Hình Tổng cơng suất ba pha tải tiêu thụ Hình Cơng suất thành phần tham gia hệ thống 55 Hình Cơng suất nguồn cung cấp tải tiêu thụ Hình 5 Năng lượng pin trình tối ưu 56 Nhận xét Sau mơ Python, ta hồn thành tầng thứ tối ưu điều phối điện Trong suốt trình tối ưu điều phối điện năng, vấn đề quản lý lượng thực tầng Các dự đoán dựa liệu thu thập từ ngày trước tối ưu hóa Nhìn vào kết mơ ta thấy giới hạn ràng buộc cho hệ thống thiết lập từ ban đầu thỏa mãn Tải tiêu thụ (Hình 2) đáp ứng đủ nhu cầu công suất thời điểm, điều thể rõ qua đồ thị Hình Các ràng buộc hệ thống thỏa mãn thông qua đồ thị Hình Pin dự trữ lượng sử dụng cách hợp lý qua việc nạp xả vào thời điểm hợp lý nhằm đáp ứng đủ công suất cung cấp cho tải vào lúc cao điểm lượng tiêu thụ tải vượt so với khả cung cấp lưới điện (Hình 5) 57 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Luận văn nghiên cứu tổng quan hệ thống tiêu thụ lượng sử dụng pin mặt trời có nối lưới đồng thời xác định cấu trúc mơ hình biểu thức tốn học thành phần tham gia hệ thống Từ đó, xây dựng toán tối ưu tầng Mô Python đánh giá kết Hướng phát triển - Tìm phương pháp để thực việc tối ưu - Kết nối cấp tối ưu tầng vào việc điều khiển cục tầng Tuy nhiên, thời gian điều kiện hạn chế nên luận văn dừng lại mức mô hệ thống phần mềm Python, chưa ứng dụng thực tiễn Tuy nhiên, với kết mơ nhận có thể: + Tiếp tục nghiên cứu để xây dựng mơ hình thực tiễn + Ứng dụng rộng rãi việc sử dụng lúc hai nguồn lượng mặt trời lưới điện quốc gia cho hộ tiêu thụ điện + Giúp nhà hoạch định chiến lược nguồn lượng quốc gia có thêm hướng việc phát triển nguồn lượng tương lai 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ngoc An Luu (2014), “Control and management strategies for a microgrid ” [2] Yann Riffonneau, Seddik Bacha, Member, IEEE, Franck Barruel, and Stephane Ploix , “Optimal Power Flow Management for Grid Connected PV Systems With Batteries” ,IEEE transactions on sustainable energy, vol.2,no.3,july 2011 [3] Y Riffonneau, A Delaille, F Barruel, and S Bacha, “System modeling and energy management for grid connected PV systems with storage,” in Proc 24th EU Photovoltaic Solar Energy Conf., Valencia, Spain, 2008 [4] B Lu and M Shahidehpour (2005), “Short term scheduling of battery in a grid connected PV/battery system”, IEEE Trans Power Syst., 20(1), pp 1053–1061 [5] T T Ha Pham, F Wurtz, and S Bacha, “Optimal operation of a PV based multisource system and energy management for household application,” in Proc IEEE Int Conf Industrial Technology (ICIT), Gippsland, Victoria, Australia, 2009, pp 1–5 [6] M Koot, J T B A Kessels, B de Jager, W P M H Heemels, P P J Van Den Bosch, and M Steinbuch, “Energy management strategies for vehicular electric power systems,” IEEE Trans Veh Technol., vol 54, no 3, pp 771–782, May 2005 [7] A Delaille, Development of New State-of-Charge and State-of-Health Criteria for Batteries Used in Photovoltaic Systems University Pierre et Marie Curie, Ph.D Report (French), 2006 [8] http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps4/pvest.php?map=africa&lang=en [9] https://docs.scipy.org/doc/scipy/reference/optimize.minimize-slsqp.html 59 PHỤ LỤC Chương trình Python ######## Import Python package######### import pandas as pd import matplotlib.pyplot as plt import math import numpy as np from scipy.optimize import minimize import time ######### Parameters ############## st = 30 # buoc thoi gian (minute) dt = float(st)/60 # (hour) n = 100 #so diem lay mau de toi uu grid = #grid connected mode parameter = grid+2 #####Doc du lieu cua tai###### Load = pd.read_excel('Data /Load_1.xlsx', index_col = 1) Power_load= pd.DataFrame(data = {'L1' : Load ['L1']*220*0.001, 'L2' : Load ['L2']*220*0.001, 'L3' : Load ['L3']*220*0.001}, index = Load.index ) ######price###### price = pd.read_excel('Data/price.xlsx', index_col = 0) 60 total_price = pd.DataFrame(data = {'price1' : price['price1'], 'price2' : price['price2'], 'price3' : price['price3']}, index = price.index ) ######Doc du lieu buc xa mat troi####### solar = pd.read_csv('Data 2014/irradiation.txt', sep = '\t\t', index_col = 'Time', date_parser=lambda time: pd.Times('2017/06/20 %s' % time)) #####Constraints###### cons = ({'type': 'eq','fun' : lambda x : x[0:: parameter]+x[1:: parameter]+solar[:]load[:]}, {'type': 'ineq','fun' : lambda x : fun_E_lo(x)}, {'type': 'ineq','fun' : lambda x : fun_ E_hi(x)}) ##### Toi uu bang Phuong phap SQP###### res = minimize(fun, x0, jac=None, callback=callbackF, tol = 1e-01, method = 'SLSQP', bounds = bound, constraints = cons, options={'maxiter' : 100, 'disp': True, 'ftol': 1e-01}) 61 Dữ liệu tải lấy từ file xlsx DAY & TIME 25/06/2017 1:47 25/06/2017 1:47 25/06/2017 1:47 25/06/2017 1:46 25/06/2017 1:45 25/06/2017 1:44 25/06/2017 1:43 25/06/2017 1:42 25/06/2017 1:41 25/06/2017 1:40 25/06/2017 1:39 25/06/2017 1:38 25/06/2017 1:38 25/06/2017 1:38 25/06/2017 1:37 25/06/2017 1:36 25/06/2017 1:35 25/06/2017 1:34 25/06/2017 1:33 25/06/2017 1:32 25/06/2017 1:31 25/06/2017 1:31 25/06/2017 1:30 25/06/2017 1:29 25/06/2017 1:29 25/06/2017 1:28 25/06/2017 1:28 25/06/2017 1:27 25/06/2017 1:26 25/06/2017 1:25 25/06/2017 1:24 25/06/2017 1:23 25/06/2017 1:23 25/06/2017 1:23 25/06/2017 1:22 25/06/2017 1:21 25/06/2017 1:20 25/06/2017 1:19 25/06/2017 1:18 I1 42.4 35.7 39.1 40.3 40.3 37.2 40 41.2 42.4 32.4 42 39.3 41.5 34 36.7 30.7 36.7 26.4 36 40.3 36.9 38.4 0 39.3 45.1 30.9 40 43.9 34.3 32.8 40 38.1 41.2 38.6 I2 42.9 36.4 40.5 39.1 41 36.7 39.6 42.2 42 32.1 42 40.3 42.2 35 35.5 28.8 38.4 26.8 36.2 39.8 36.4 37.9 0 39.1 45.8 31.6 39.3 44.6 35 33.6 41 38.8 41 38.4 I3 38.8 33.8 36.9 36.7 38.1 34.5 38.1 39.1 39.6 30 38.4 37.4 39.1 33.3 34.3 28 35 26.4 33.6 37.4 34.5 36 0 36.7 42.4 28.8 37.2 40.3 32.1 32.6 37.2 35.7 38.6 36.2 Dữ liệu xạ mặt trời Đà Nẵng vào tháng 06 xuất từ phần mềm PVgis Latitude: Longitude: 16°3'15" North, 108°12'7" East Results for: June Inclination of plane: 35 deg Orientation (azimuth) of plane: deg Time G Gd Gc DNI DNIc A Ad Ac 05:52 34 33 30 0 95 37 124 06:07 54 53 47 0 178 69 235 06:22 72 71 64 0 256 96 340 06:37 87 82 74 198 294 327 121 434 06:52 117 98 109 238 352 390 142 516 07:07 150 113 149 273 405 445 161 588 07:22 185 126 191 304 451 493 177 651 07:37 220 139 237 332 492 536 191 704 07:52 256 150 283 356 528 572 203 751 08:07 292 161 329 378 560 604 213 790 08:22 326 170 376 397 589 630 221 823 08:37 360 178 421 414 614 653 227 852 08:52 392 184 464 429 637 673 232 875 09:07 423 190 506 443 657 689 236 895 09:22 451 195 545 455 674 702 238 911 09:37 477 199 582 465 690 713 240 924 09:52 501 203 616 474 703 721 240 935 10:07 523 205 646 482 715 728 241 943 10:22 542 207 673 489 725 734 241 950 10:37 558 209 696 495 733 738 240 955 10:52 572 210 716 499 740 741 239 959 11:07 583 211 732 503 746 743 239 961 11:22 591 212 744 506 750 745 238 963 11:37 597 212 752 507 752 746 238 964 11:52 600 212 756 508 754 746 238 965 12:07 600 212 756 508 754 746 238 965 12:22 597 212 752 507 752 746 238 964 12:37 591 212 744 506 750 745 238 963 12:52 583 211 732 503 746 743 239 961 13:07 572 210 716 499 740 741 239 959 13:22 558 209 696 495 733 738 240 955 13:37 542 207 673 489 725 734 241 950 13:52 523 205 646 482 715 728 241 943 14:07 501 203 616 474 703 721 240 935 14:22 477 199 582 465 690 713 240 924 14:37 451 195 545 455 674 702 238 911 14:52 423 190 506 443 657 689 236 895 15:07 392 184 464 429 637 673 232 875 15:22 360 178 421 414 614 653 227 852 15:37 326 170 376 397 589 630 221 823 15:52 292 161 329 378 560 604 213 790 16:07 256 150 283 356 528 572 203 751 16:22 220 139 237 332 492 536 191 704 16:37 185 126 191 304 451 493 177 651 16:52 150 113 149 273 405 445 161 588 17:07 117 98 109 238 352 390 142 516 17:22 87 82 74 198 294 327 121 434 17:37 72 71 64 0 256 96 340 17:52 54 53 47 0 178 69 235 18:07 34 33 30 0 95 37 124 18:22 13 13 12 0 6 G: Global irradiance on a fixed plane (W/m2) DNIc: Clear-sky direct normal irradiance (W/m2) Gd: Diffuse irradiance on a fixed plane (W/m2) A: Global irradiance on 2-axis tracking plane (W/m2) Gc: Global clear-sky irradiance on a fixed plane (W/m2) Ad: Diffuse irradiance on 2-axis tracking plane (W/m2) DNI: Direct normal irradiance (W/m2) Ac: Global clear-sky irradiance on 2-axis tracking plane (W/m2) ... TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - NGÔ NHẬT HUY NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN, TỐI ƯU ĐIỀU PHỐI ĐIỆN NĂNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển tự... thống pin lưu trữ lượng 46 3.3 Tải tiêu thụ 47 CHƯƠNG - QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG TỐI ƯU CHO HỆ THỐNG 48 4.1 Phương pháp tối ưu SLSQP 48 4.2 Xây dựng toán tối ưu ... TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 PHỤ LỤC 59 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN, TỐI ƯU ĐIỀU PHỐI ĐIỆN NĂNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Học viên: NGÔ NHẬT HUY Chuyên ngành: