Nâng cao hiệu suất làm việc của hệ thống điện mặt trời dựa trên điều khiển mô hình động

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH HỒ NGỌC LINH SƠN NÂNG CAO HIỆU SUẤT LÀM VIỆC CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI DỰA TRÊN ĐIỀU KHIỂN MƠ HÌNH ĐỘNG Chun ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN Mã chuyên ngành: 60520202 LUẬN VĂN THẠC SĨ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2020 Cơng trình hồn thành Trường Đại học Cơng nghiệp TP Hồ Chí Minh Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Trung Nhân Người phản biện 1: PGS TS Trương Đình Nhơn Người phản biện 2: TS Nguyễn Nhật Nam Luận văn thạc sĩ bảo vệ Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh ngày tháng năm 2020 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: PGS TS Trương Việt Anh - Chủ tịch Hợi đồng PGS TS Trương Đình Nhơn - Phản biện TS Nguyễn Nhật Nam - Phản biện TS Bạch Thanh Quý - Ủy viên TS Trần Thanh Ngọc - Thư ký CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN BỘ CÔNG THƯƠNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP Độc lập - Tự - Hạnh phúc THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Hồ Ngọc Linh Sơn Họ tên học viên: Ngày, tháng, năm sinh: Chuyên ngành: MSHV: 16083381 Nơi sinh: Ninh Thuận 03/09/1993 Kỹ Thuật Điện Mã chuyên ngành: 60520202 I TÊN ĐỀ TÀI: Nâng cao hiệu suất làm việc hệ thống điện mặt trời dựa điều khiển mơ hình đợng NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Giới thiệu tổng quan lượng điện mặt trời, đề xuất giải pháp để điều khiển tối ưu biến tần dùng hệ thống điện mặt trời thông số vận hành thay đổi II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 2660/QĐ-ĐHCN ngày 11/12/2018 III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 15/3/2020 IV NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TIẾN SĨ NGUYỄN TRUNG NHÂN Tp Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng năm 2020 NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) TRƯỞNG KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN (Họ tên chữ ký) LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, em xin tỏ lòng biết ơn gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy TS Nguyễn Trung Nhân Người thầy trực tiếp hướng dẫn tận tình bảo em suốt thời gian nghiên cứu, tìm kiếm tài liệu giải vấn đề qua trình nghiên cứu đề tài em, nhờ mà em hồn thành luận văn Tiếp theo em cảm ơn quý thầy, cô khoa kỹ thuật điện sau đại học quan tâm, góp ý hợ trợ em suốt q trình nghiên cứu hồn thành luận văn Cuối em xin cảm ơn sâu sắc đến mẹ người thân gia đình tạo điều kiện thuận lợi suốt q trình em theo học khóa thạc sĩ kỹ thuật điện trường i TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Trong luận văn phần đầu trình bày tình hình lượng tồn cầu tình hình sử dụng lượng mặt trời, khái niệm công nghệ chế tạo pin quang điện Phần đưa mơ hình tốn mợt pin quang điện khảo sát ảnh hưởng mơ hình tốn phần mềm MATLAB Cuối đưa mơ hình tối ưu nhất kết hợp sử dụng phương pháp đề xuất để nâng cao hiệu suất hệ thống điện mặt trời thơng số bên ngồi pin quang điện ln linh động thay đổi ii ABSTRACT In this essay, the first section will discuss the global energy situation and the situation of solar power usage, the concept and manufacturing technology of photovoltaic cells The next section will show the mathematical models of a photovoltaic cell and examine the influence of these mathematical models on MATLAB software Finally, the most optimal model combined with the proposed method to improve the efficiency of the solar power system when the parameters outside the photovoltaic cells always changing dynamically iii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu bản thân Các kết quả nghiên cứu kết luận luận văn trung thực, không chép từ bất kỳ một nguồn bất kỳ hình thức Việc tham khảo nguồn tài liệu (nếu có) thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Học viên (Chữ ký) Hồ Ngọc Linh Sơn iv MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ ii ABSTRACT iii LỜI CAM ĐOAN iv MỤC LỤC v DANH MỤC HÌNH ẢNH viii DANH MỤC BẢNG BIỂU xii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xiii MỞ ĐẦU 1 Đặt vấn đề Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa thực tiễn đề tài CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG TOÀN CẦU 1.1 Tổng quan lượng toàn cầu 1.2 Xu hướng trạng sử dụng lượng mặt trời vào hệ thống quang điện 1.3 Tổng quang quang điện 11 v 1.3.1 Định nghĩa quang điện 11 1.3.2 Cơng nghệ chế tạo quang điện 12 1.3.3 Mơ hình hóa ánh sáng mặt trời tế bào quang điện 14 1.4 Kết luận CHƯƠNG 14 MƠ HÌNH TỐN CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI 15 2.1 Mơ hình tốn lý tưởng 15 2.2 Mơ hình tốn có tính đến điện trở mối nối 17 2.3 Mơ hình tốn có tính đến điện trở mối nối điện trở shunt 21 2.4 Kết luận 23 CHƯƠNG KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CẤU TRÚC ĐẾN ĐẶC TÍNH VẬN HÀNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI 24 3.1 Mơ hình lý tưởng 24 3.2 Mơ hình có tính đến điện trở mối nối 28 3.3 Mơ hình có tính đến điện trở mối nối điện trở shunt 35 3.4 Kết luận 40 CHƯƠNG GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU SUẤT LÀM VIỆC 41 4.1 Giới thiệu 41 4.2 Phương pháp lặp điện trở Rs Rp 41 4.3 Mơ hình điều khiển đợng cho hệ thống điện mặt trời 57 4.3.1 Phương pháp điều khiển đề xuất 57 vi 4.3.2 Kết quả mô mô hình đợng hệ thống điện mặt trời 60 4.4 Kết Luận 66 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 67 Kết luận 67 Hướng phát triển 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 69 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG CỦA HỌC VIÊN 71 vii Bảng 4.1 Bảng kết quả công suất tối ưu tấm pin mặt trời có sử dụng phương pháp đề xuất không sử dụng phương pháp đề xuất Phương pháp Phương pháp đề xuất Trường hợp Khơng có sử dụng phương pháp đề xuất G = 500W/m2, t = 25 °C 96.27 83.32 G = 500W/m2, t = 30 °C 92.98 88.61 G = 700W/m2, t = 30 °C 131.68 124.61 G = 700W/m2, t = 35 °C 129.89 121.14 G = 1000W/m2, t = 35 °C 181.15 166.98 G = 1000W/m2, t = 40 °C 178.83 168.14 4.3 Mơ hình điều khiển động cho hệ thống điện mặt trời 4.3.1 Phương pháp điều khiển đề xuất Ngày nhu cầu sử dụng nguồn lượng xanh để thay nguồn lượng hóa thạch điện hạt nhân ngày tăng, tiêu chuẩn ngày chặt chẽ chất lượng điện Do hệ thống phát điện phân tán ngày tăng, yêu cầu phương pháp điều khiển cần thiết Nhất hiệu suất khả điều khiển hệ thống phát điện phân tán dựa hệ thống điện mặt trời một yếu điểm Nên phần trình bày phương pháp điều khiển khung tham chiếu đồng bộ cho hệ thống điện mặt trời Điều khiển khung tham chiếu đồng bợ cịn gọi điều khiển dq, sử dụng modun để chuyển đổi khung tham chiếu, chuyển đổi dạng sóng dịng điện dạng sóng điện 57 áp thành khung tham chiếu xoay chiều để đồng bộ với lưới điện, kết với sử dụng phương pháp lặp để tìm cơng śt P làm tham chiếu cho tín hiệu điều khiển Phương pháp có biến điều khiển điện một chiều (DC), nên điều khiển dễ dàng đạt hiệu quả Udc Udc* + DC-link controller Iq* Id* P + Bộ điều khiển (PR) Modulation and PWM inverter Filter Grid P controller P* Phương pháp đề xuất I0,VS Hình 4.14 Sơ đồ phương pháp điều khiển đề xuất Sơ đồ này, điện áp một chiều (DC) điều khiển theo công suất đầu Đầu tham chiếu cho bộ điều khiển dịng hoạt đợng Trong sơ đồ sử dụng công suất tác dụng (P) để tham chiếu cho hệ thống Cấu trúc điều khiển dq thường chung với bợ điều khiển tích phân tỷ lệ PI, chúng điều cần thiết để điều chỉnh biến DC Hàm truyền ma trận bộ điều khiển là: (𝑑𝑞) 𝐺𝑃𝐼 (𝑠) 𝐾𝑝 + =[ 𝐾𝑖 𝑠 𝐾𝑝 + 𝐾𝑖 ] (4-8) 𝑠 Trong 𝐾𝑝 mức tăng tỉ lệ, 𝐾𝑖 mức tăng tích phân Trong sơ đồ phương pháp điều khiển đề xuất, tín hiệu điều khiển tham chiếu ngõ vào công suất P ứng dụng phương pháp đề x́t để tìm cơng suất P tối ưu đưa vào 58 làm tín hiệu tham chiếu Từ nâng cao hiệu suất làm việc hệ thống điện mặt trời Dựa vào sơ đồ ta vẽ sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời sau: Hình 4.15 Sơ đồ khối mơ hình điều khiển đợng hệ thống điện mặt trời 59 4.3.2 Kết mơ mơ hình động hệ thống điện mặt trời Xét trường hợp G = 500W/m2, t = 25 °C Hình 4.16 Đồ thị so sánh dịng điện sử dụng phương pháp đề xuất không sử dụng phương pháp đề xuất Dựa vào đồ thị ta thấy sóng dịng điện ngõ hệ thống ổn định hịa vào lưới điện đảm bảo chất lượng điện lưới không bị ảnh hưởng nhiều Ta thấy đồ thị dòng điện chưa dùng phương pháp đề x́t có biên đợ dịng khoảng 0.16A nhỏ đồ thị dịng điện có sử dụng phương pháp đề x́t có biên đợ dịng khoảng 0.19A, nên cơng śt dùng phương pháp đề xuất lớn công suất chưa dùng phương pháp gần tiệm cận với công suất nhà sản xuất pin cung cấp Pmax_e = 95.15W 60 Xét trường hợp G = 500W/m2, t = 30 °C Hình 4.17 Đồ thị so sánh dòng điện sử dụng phương pháp đề xuất khơng sử dụng phương pháp đề x́t Nhìn đồ thị dịng điện ta thấy có q đợ mợt chút ổn định, trường hợp ta thấy biên đợ dịng điện sử dụng phương pháp đề xuất lớn không sử dụng phương pháp đề xuất Công suất pin quang điện nhà sản xuất cung cấp khoảng Pmax_e=92.68W mà công suất cực đại dùng phương pháp đề xuất Pmax=92.98W, nên phương pháp đề xuất tối ưu 61 Xét trường hợp G = 700W/m2, t = 30 °C Hình 4.18 Đồ thị so sánh dòng điện sử dụng phương pháp đề xuất không sử dụng phương pháp đề xuất Dựa vào đồ thị ta thấy đồ thị dòng điện xét trường hợp danh định G=700W/m2, t = 30 °C có biên đợ dịng điện khoảng 0.25A biên đợ dịng biểu đồ dịng điện có sử dụng phương pháp đề xuất lớn biên đợ dịng biểu đồ dịng điện khơng sử dụng phương pháp đề xuất Công suất cực đại pin quang điện nhà sản xuất cung cấp Pmax_e = 130.48W, nên ta thấy công suất cực đại sử dụng phương pháp đề xuất tiệm cận với công suất cực đại pin quang điện nhà sản xuất cung cấp 62 Xét trường hợp G = 700W/m2, t = 35 °C Hình 4.19 Đồ thị so sánh dòng điện sử dụng phương pháp đề xuất không sử dụng phương pháp đề xuất Dựa vào đồ thị ta thấy đồ thị dòng điện xét trường hợp danh định G=700W/m2, t = 35 °C có biên đợ dịng điện khoảng 0.25A biên đợ dịng biểu đồ dịng điện có sử dụng phương pháp đề xuất lớn biên độ dịng biểu đồ dịng điện khơng sử dụng phương pháp đề xuất Công suất cực đại pin quang điện nhà sản xuất cung cấp Pmax_e = 127.05W, nên ta thấy công suất cực đại sử dụng phương pháp đề xuất tiệm cận với công suất cực đại pin quang điện nhà sản xuất cung cấp 63 Xét trường hợp G = 1000W/m2, t = 35 °C Hình 4.20 Đồ thị so sánh dòng điện sử dụng phương pháp đề xuất không sử dụng phương pháp đề xuất Dựa vào đồ thị ta thấy đồ thị dòng điện xét trường hợp danh định G=1000W/m2, t = 35 °C có biên đợ dịng điện khoảng 0.35A biên đợ dịng biểu đồ dịng điện có sử dụng phương pháp đề x́t lớn biên đợ dịng biểu đồ dịng điện khơng sử dụng phương pháp đề xuất Công suất cực đại pin quang điện nhà sản xuất cung cấp Pmax_e = 181.15W, nên ta thấy công suất cực đại sử dụng phương pháp đề xuất tiệm cận với công suất cực đại pin quang điện nhà sản xuất cung cấp 64 Xét trường hợp G = 1000W/m2, t = 40 °C Hình 4.21 Đồ thị so sánh dòng điện sử dụng phương pháp đề xuất không sử dụng phương pháp đề xuất Dựa vào đồ thị ta thấy đồ thị dòng điện xét trường hợp danh định G=1000W/m2, t = 40 °C có biên đợ dịng điện khoảng 0.32A biên đợ dịng biểu đồ dịng điện có sử dụng phương pháp đề x́t lớn biên đợ dịng biểu đồ dịng điện khơng sử dụng phương pháp đề xuất Công suất cực đại pin quang điện nhà sản xuất cung cấp Pmax_e = 178.83W, nên ta thấy công suất cực đại sử dụng phương pháp đề xuất tiệm cận với công suất cực đại pin quang điện nhà sản xuất cung cấp Trong cả trường hợp ta thấy biểu đồ dòng điện sử dụng phương pháp đề xuất lớn biểu đồ dịng điện khơng sử dụng phương pháp đề x́t, Cơng śt cực đại tính tốn ứng dụng phương pháp đế xuất tiệm cận với công suất cực đại nhà sản xuất cung cấp, điều chứng tỏ phương pháp đề xuất cho mơ hình có tính hiểu 65 quả Nên phương pháp đề xuất luận văn nâng cao hiệu suất hệ thống điện mặt trời ứng với linh động thông số vận hành thay đổi xạ mặt trời nhiệt độ 4.4 Kết Luận Trong chương ta thấy việc sử dụng phương pháp đề xuất cụ thể lặp điện trở mối nối điện trở shunt đơn giãn khơng có dự đốn bất kì tham số a (hệ số diode) Phương pháp lặp tìm điểm cơng śt cực đại mảng quang điện gần với công suất cực đại nhà sản xuất cung cấp, nên làm cho tính thực tế rất cao Phương pháp đề xuất sử dụng dòng điện điện áp xoay chiều hòa lưới phương pháp điều khiển khung tham chiếu đồng bợ hay cịn gọi phương pháp điều khiển dq công suất P mảng quang điện sử dụng phương pháp lặp điện trở làm tham chiếu để đưa tín hiệu điều khiển phù hợp cho bộ biến tần 66 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kết luận Bài luận văn dùng phương pháp lặp điện trở mối nối Rs điện trở shunt Rp để tìm điểm cơng śt cực đại mảng quang điện gần với thực tế Mục tiêu phương pháp để phù hợp với phương trình I-V với điểm đáng ý biểu đồ đường I-V mảng nhà sản xuất cung cấp thông số, điểm đáng ý dịng ngắn mạch, điện áp hở mạch điểm công suất cực đại mảng quang điện, từ cải thiện nâng cao hiệu suất pin quang điện Phương pháp đơn giản hiệu quả không cần dự đốn hay ước tính bất thơng số ngồi trừ số diode, thơng số cần thiết để thiết lập phương trình đường I-V sử dụng bảng datasheet nhà sản xuất mảng quang điện Nhiều phương pháp khác nâng cao hiệu suất mảng quang điện như: ước lượng tham số mơ hình hay dùng trí thơng minh nhân tạo, phương pháp phức tạp bỏ thông số điện trở mối nối điện trở shunt, điều làm mơ hình thiếu xác so với thực tế Phương pháp đề xuất dựa thay đổi thông số vận hành bị thay đổi liên tục nhiệt độ xạ mặt trời mà ta linh động việc điều chỉnh để công suất đạt gần tiệm cận với công suất mà nhà sản xuất quy định Từ nâng cao hiệu suất hệ thống điện mặt trời dù thông số bên ngồi có thay đổi Hướng phát triển Trong luận sử dụng phương pháp đề xuất để linh động với thông số vận hành tác đợng bên ngồi, mà tìm đồ thị đặc tính cơng śt P tốt nhất, gần tiệm cận với cơng śt nhà sản x́t tấm pin Từ nâng cao hiệu suất hệ thống điện Nhưng hệ thống điện mặt trời tấm pin cịn nhiều bợ phận khác cần nghiên cứu để tối ưu hóa để hệ thống có chất lượng tốt 67 biến tần Việc chuyển đổi nguồn DC sang AC biến tần một lĩnh vực cần nghiên cứu tối ưu hóa để nâng cao chất lượng điện ổn định hệ thống 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] M G Villalva et al “Modeling and circuit-based simulation of photovoltaic arrays,” Brazilian Journal of Power Electronics Vol 14, no 1, pp 35-45, ISSN 1414-8862, 2009 [2] M G Villalva et al “Comprehensive approach to modeling and simulation of photovoltaic arrays,” IEEE tracsactions on power electronics Vol 24, no 5, May 2009 [3] Frede Blaabjerg et al “Overview of control and grid synchronization for distributed power generation systems,” IEEE transactions on industrial electronics Vol 53, no 5, October 2006 [4] C Carrero et al “Asingle procedure for helping PV designers to select silicon PV module and evaluate the loss resistances,” Renewable Energy Vol 32, no 15, pp 2579–2589, Dec 2007 [5] G E Ahmad et al “Theoretical analysis and experimental verification of PV modules,” Renewable Energy Vol 28, no 8, pp 1159–1168, 2003 [6] M A Vitorino et al “Using the model of the solar cell for determining the maximum power point of photovoltaic systems,” Proc Eur Conf Power Electron pp 1-10, Appl 2007 [7] Y T Tan et al “A model of PV generation suitable for stability analysis,” IEEE Trans Energy Convers Vol 19, no 4, pp 748–755, Dec 2004 [8] W De Soto et al “Improvement and validation of a model for photovoltaic array performance,” Solar Energy Vol 80, no 1, pp 78–88, Jan 2006 69 [9] A Driesse et al “Evaluating the effectiveness of maximum power point tracking methods in photovoltaic power systems using array performance models,” Proc IEEE Power Electron Spec Conf (PESC), 2007, pp 145–151 [10] Renewables 2018 Global Status Report [Online] Available: https://www.ren21.net/wp-content/uploads/2019/05/GSR2018_FullReport_English.pdf, May.2019 [11] KC200GT High Efficiency Multicrystal Photovoltaic Module Datasheet Kyocera [Online] Available: http://www.kyocera.com.sg/products/solar/pdf/kc200gt.pdf [12] Nguyen Trung Nhan and Luo A “Multifunction converter based on Lyapunov function used in a photovoltaic system,” Turk J Elec Eng & Comp Sci Vol 22, pp.893-908, 2014 [13] Djamila Rekioua and Ernest Matagne (2012) Optimization of Photovoltaic Power Systems Modelization, Simulation and Control [Online] Available: http://www.springer.com/series/8059 [14] Trịnh Quang Dũng Năng lượng điện mặt trời Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật, 1992 [15] Đặng Đình Thống Pin mặt trời ứng dụng Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật, 2005 70 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG CỦA HỌC VIÊN I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ tên: HỒ NGỌC LINH SƠN Ngày tháng năm sinh: Giới tính: Nơi sinh: NINH THUẬN 03/09/1993 Điện thoại: 0399665839 Email: linhson391993@gmail.com II NAM QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 2016: Tốt nghiệp ngành kỹ thuật cung cấp điện khoa điện trường đại học Công Nghiệp TP.HCM III Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 2018 Công ty TNHH một thành viên Thương mại Xây dựng Điện Quang Trung Kỹ sư giám sát Tp HCM, ngày 15 tháng 03 Năm 2020 Người khai (Ký tên) 71 ... Thuật Điện Mã chuyên ngành: 60520202 I TÊN ĐỀ TÀI: Nâng cao hiệu suất làm việc hệ thống điện mặt trời dựa điều khiển mơ hình đợng NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Giới thiệu tổng quan lượng điện mặt trời, ... vào mơ hình điều khiển động hệ thống điện mặt trời mô phần mềm MATLAB/SIMULINK Đối tượng phạm vi nghiên cứu Trong luận văn nghiên cứu nâng cao hiệu suất hệ thống pin mặt trời dựa nâng cao công... thống điện mặt trời dựa điều khiển mơ hình đợng giúp hệ thống điện mặt trời nhanh chóng thay hệ thống điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch điện hạt nhân, điều làm giảm tác nhân gây ô nhiễm môi trường