Nghiên cứu phương pháp điều khiển thiết bị tích trữ năng lượng trong hệ thống chiếu sáng công cộng sử dụng năng lượng mặt trời kết hợp với điện lưới​

Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP HOÀNG VĂN LONG NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG CÔNG CỘNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KẾT HỢP VỚI ĐIỆN LƯỚI LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT THÁI NGUYÊN - 2016 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP HỒNG VĂN LONG Tên đề tài: NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG CÔNG CỘNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KẾT HỢP VỚI ĐIỆN LƯỚI Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 60.52.02.02 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN NHƯ HIỂN Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN LUẬN VĂN Họ tên học viên: Ngày tháng năm sinh: Quê quán: Nơi cơng tác: Cơ sở đào tạo: Chun ngành: Khóa học: Tên đề tài: NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG CÔNG CỘNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KẾT HỢP VỚI ĐIỆN LƯỚI Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN NHƯ HIỂN KHOA CHUYÊN MÔN GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Đỗ Trung Hải Nguyễn Như Hiển PHÒNG ĐÀO TẠO Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn Đặng Danh Hoằng Luận văn tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện LỜI CAM ĐOAN Tên tơi Hồng Văn Long Sinh ngày 23 tháng năm 1976 Học viên lớp cao học K16 - Kỹ thuật điện - Trường đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên Hiện công tác Trung tâm khuyến công tư vấn phát triển công nghiệp Sở Công Thương Cao Bằng, tỉnh Cao Bằng Tơi xin cam đoan nội dung trình bày luận văn nghiên cứu riêng cá nhân Nội dung luận văn nội dung đề cương duyệt yêu cầu Thầy giáo hướng dẫn Trong trình nghiên cứu thực tơi có tham khảo số tài liệu, báo tác giả nước Nếu sai tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm./ HỌC VIÊN Hoàng Văn Long Hoàng Văn Long K16-KTĐ-ĐHKTCN Thái Nguyên Page i Luận văn tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện LỜI CẢM ƠN Trong suốt trình tìm hiểu thực luận văn "Nghiên cứu phương pháp điều khiển thiết bị tích trữ lượng hệ thống chiếu sáng công cộng sử dụng lượng mặt trời kết hợp với điện lưới", với cố gắng nỗ lực thân nhiều quan tâm, giúp đỡ từ thầy giáo, giáo, gia đình, bạn học viên đặc biệt quan tâm, hướng dẫn tận tình thầy giáo PGS.TS Nguyễn Như Hiển luận văn tơi hồn thành Tơi xin bày tỏ lịng chân thành biết ơn sâu sắc tới thầy cô giáo trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên Trong suốt thời gian qua thầy tận tình truyền đạt cho kiến thức vô quý báu động viên học tập sống Đặc biệt, xin chân thành cám ơn PGS.TS Nguyễn Như Hiển, thầy tận tình bảo, tạo điều kiện cho tơi hồn thành luận văn sửa chữa sai sót suốt q trình tơi thực đề tài Cuối cùng, muốn bày tỏ lòng biết ơn chân thành, lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè người ln bên cạnh, động viên, giúp đỡ học tập sống Luận văn có số kết định, nhiên tránh khỏi sai sót hạn chế, kính mong cảm thơng đóng góp ý kiến thầy bạn./ Thái Nguyên, ngày 16 tháng năm 2016 HỌC VIÊN Hoàng Văn Long Hoàng Văn Long K16-KTĐ-ĐHKTCN Thái Nguyên Page ii Luận văn tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC .iii TỪ NGỮ VIẾT TẮT .v DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .vii MỞ ĐẦU Chương NGHIÊN CỨU KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MỚI VÀ NGUỒN ĐIỆN ĐỘC LẬP 1.1 Các nguồn công nghệ lượng 1.2 Vai trò nguồn lượng 1.3 Nguồn lượng Việt Nam .11 1.4 Khái niệm hệ thống điện độc lập .12 1.4.1 Giới thiệu chung 12 1.4.2 Vấn đề đảm bảo chất lượng điện 13 1.5 Thiết bị tích trữ lượng 15 1.5.1 Bộ tích trữ lượng chiều dùng ắc quy 15 1.5.2 Thiết bị tích trữ lượng siêu tụ .17 1.5.3 Các yêu cầu thiết bị tích trữ lượng .20 1.6 Vấn đề điều khiển thiết bị kho điện .24 1.7 Các nhiệm vụ cần giải luận văn .26 1.8 Kết luận chương 26 Chương XÂY DỰNG MƠ HÌNH THIẾT BỊ KHO ĐIỆN SỬ DỤNG SIÊU TỤ 27 2.1 Giới thiệu biến đổi DC - DC .27 2.2 Các biến đổi DC - DC giảm tăng áp không cách ly 28 2.2.1 Bộ biến đổi giảm áp (buck) 28 2.2.2 Bộ biến đổi tăng áp (boost) 31 2.3 Mô hình thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ 34 2.3.1 Cấu trúc thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ 35 Hoàng Văn Long K16-KTĐ-ĐHKTCN Thái Nguyên Page iii Luận văn tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện 2.3.2 Thiết kế kho điện 2.3.3 Mơ hình biến đổi DC-DC dùng thiết bị kho điện 2.4 Kết luận chương Chương THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC 43 3.1 Giới thiệu chung 3.1.1 Bộ điều khiển PID 3.1.2 Phương pháp tối ưu độ lớn 3.2 Cấu trúc điều khiển hệ thống 3.3 Hàm truyền đạt DC - DC 3.3.1 Xây dựng hàm truyền đạt theo chiều boost 3.3.2 Xây dựng hàm truyền đạt theo chiều buck 3.4 Tổng hợp điều khiển 3.4.1 Tổng hợp điều khiển biến đổi buck 3.4.2 Tổng hợp điều khiển biến đổi boost 3.4.3 Tổng hợp điều khiển biến đổi buck - boost 3.5 Kết luận chương Chương ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CHO BỘ BIẾN ĐỔI DC - DC, DC - AC 4.1 Giới thiệu chung 4.2 Bộ biến đổi DC - DC 4.2.1 Bộ DC - DC giảm áp: Được giới thiệu hình 4.2 4.2.2 Mạch DC - DC tăng áp: Được giới thiệu hình 4.7 4.3 Mạch DC - AC 4.3.1 Sơ đồ lắp rạp biến đổi DC - AC: Được minh họa hình 4.13 4.3.2 Kết thực nghiệm 4.4 Kết luận KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Kiến nghị TÀI LIỆU THAM KHẢO Hoàng Văn Long K16-KTĐ-ĐHKTCN Thái Nguyên NLMT PV SCADA TOE Hoàng Văn Long K16-KTĐ-ĐHKTCN Thái Nguyên Page v Luận văn tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Phân loại kho lượng theo thời gian 21 Bảng 1.2 Phân loại kho lượng theo hình thức tích lũy 21 Hoàng Văn Long K16-KTĐ-ĐHKTCN Thái Nguyên Page vi Luận văn tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện Chia hai vế cho  R LR 1 (1 )2 ta được: WBS (s)  Ku s  2 s 1 2  (3.7) Trong ku hệ số khuyếch đại điện áp điều khiển ρ tỷ số chung R RL ,ξ hệ số dao động Từ (3.7) cho thấy thuộc tính động học phụ thuộc vào tần số dao động hệ số dao động Hàm truyền biến đổi với cấu trúc phần trước có dạng sau: U out (s) d(s) 3.3.2 Xây dựng hàm truyền đạt theo chiều buck Tương tự chế độ boost biến đổi hoạt động chế độ buck ta đơn giản hóa cấu trúc biến đổi mạch sau: Hình 3.5: Mơ hình đơn giản biến đổi buck Theo chương ta thành lập mơ hình tốn biến đổi buck mơ hình tốn cho chiều buck cung tương tự ta  Hoàng Văn Long K16-KTĐ-ĐHKTCN Thái Nguyên Page 49 Luận văn tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện bỏ qua điện trở cuộn dây tụ điện nên mơ hình tốn biến đơi hoạt động chế độ buck sau: U out (s) d(s)  3.4 Tổng hợp điều khiển Bộ điều khiển PID thường sử dụng để điều khiển đối tượng SISO theo nguyên lý hồi tiếp Bộ điều khiển PID có nhiệm vụ đưa sai lệch tĩnh e(t) hệ thống cho trình độ thỏa mãn yêu cầu sau: - Nếu sai lệch e(t) lớn thơng qua thành phần UP(t), tín hiệu điều chỉnh U(t) lớn - Nếu sai lệch e(t) chưa thơng qua thành phần UI(t), PID cịn tạo tín hiệu điều chỉnh - Nếu thay đổi sai lệch e(t) lớn thơng qua thành phần UD(t), phản ứng thích hợp u(t) nhanh Thông qua việc điều chỉnh thơng số thuật tốn điều khiển PID, điều khiển kiểm sốt q trình cụ thể mà hệ thống yêu cầu Tùy đối tượng khác mà điều khiển pid có thành phần P,I , D đổi tượng có khâu tích phần điều khiển ta khơng cần phải đưa thêm khâu tích phần vào nữa, lúc ta cần sử dụng điều khiển PD, hay tín hiệu đối tượng thay đổi tương đối chậm thân điều khiển cung khơng thiết phải có thay đổi thật nhanh với thay đổi đối tuongj điều khiển khơng cần phải có khâu D, lúc ta cần sử dụng điều khiển PI 3.4.1 Tổng hợp điều khiển biến đổi buck Thông số biến đổi sau: Điện áp vào Ui = 24V, điện trở tải R = 52Ω, hệ số γ = 0,5, độ tự cảm cuộn dây L = 19.51mH, điện dung tụ điện C = 50uF; Bộ điều khiển dòng: Kp = 0.013183; Ki = 7.2915173; Bộ điều khiển áp: Kp = 0.81577; Ki = 453.894428 Hoàng Văn Long K16-KTĐ-ĐHKTCN Thái Nguyên Page 50 Luận văn tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện 3.4.2 Tổng hợp điều khiển biến đổi boost Thông số biến đổi sau: Điện áp vào Ui =24V, điện trở tải R = 52Ω, hệ số γ = 0,45, độ tự cảm cuộn dây L = 19.51mH, điện dung tụ điện C = 50uF Sau tổng hợp ta thu điều khiển có thơng số sau: Bộ điều khiển dòng: Kp= 4.69989e-5; Ki = 0.036153; Kd = 2.0824128e-7; Bộ điều khiển áp: Kp= 54.257; Ki = 0; Kd = 3.4.3 Tổng hợp điều khiển biến đổi buck - boost Thông số biến đổi sau: Điện áp vào Ui = 24V, điện trở tải R = 52Ω, hệ số γ = 0.6, độ tự cảm cuộn dây L = 19.51mH, điện dung tụ điện C = 50uF Sau tổng hợp ta thu điều khiển có thơng số sau: Bộ điều khiển dịng: Kp= 0.0028; Ki = 1.0189; Bộ điều khiển áp: Kp= 0.9066; Ki = 47.1173 3.5 Kết luận chương Trên sở nghiên cứu thiết kế biến đổi DC-DC, luận văn đưa thuật toán xây dựng điều khiển đạt kết sau đây: - Đưa mơ hình tốn học cho biến đổi DC-DC; - Thiết kế điều khiển cho biến đổi DC-DC; - Đưa cấu trúc điều khiển Nhiệm vụ phải xây dựng mơ hình phần cứng thấy tính thực tiễn luận văn Hoàng Văn Long K16-KTĐ-ĐHKTCN Thái Nguyên Page 51 Luận văn tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện Chương ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CHO BỘ BIẾN ĐỔI DC - DC, DC - AC 4.1 Giới thiệu chung Để đánh giá chất lượng cho biến đổi DC - DC biến đổi DC - AC theo sơ đồ nguyên lý hình 4.1, trước hết phải sử dụng mạch DC tăng giảm áp với mạch nghịch lưu pha Hình 4.1: Bộ biến đổi DC - DC DC - AC cho siêu tụ Dựa vào điều kiện thực tế, luận văn tiến hành đánh giá chất lượng biến đổi DC - DC DC - AC 4.2 Bộ biến đổi DC - DC 4.2.1 Bộ DC - DC giảm áp: Được giới thiệu hình 4.2 Hình 4.2: Mạch giảm áp sử dụng IC LM2569S Hoàng Văn Long K16-KTĐ-ĐHKTCN Thái Nguyên Page 52 Luận văn tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện Mạch giảm áp DC nhỏ gọn có khả giảm áp từ 35V xuống 1.5V hiệu suất cao (92%) Thông số kỹ thuật:  Điện áp đầu vào: Từ 3V đến 40V  Điện áp đầu ra: Điều chỉnh khoảng 1.5V đến 35V  Dòng đáp ứng tối đa 3A  Hiệu suất: 92%  Công suất: 15W Hình 4.3: Sơ đồ nguyên lý mạch giảm áp sử dụng IC LM2569S Hình 4.4: Điện áp đầu vào mạch giảm áp sử dụng IC LM2569S Hoàng Văn Long K16-KTĐ-ĐHKTCN Thái Nguyên Page 53 Luận văn tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện Hình 4.5: Điện áp đầu nhỏ mạch giảm áp sử dụng IC LM2569S Hình 4.6: Điện áp đầu nhỏ mạch giảm áp sử dụng IC LM2569S 4.2.2 Mạch DC - DC tăng áp: Được giới thiệu hình 4.7 Mạch tăng áp DC XL6009 / Boost DC XL6009 module Module điều chỉnh tăng áp DC-DC Module sử dụng IC XL6009, có hiệu suất cao Thơng số kỹ thuật:  Điện áp đầu vào từ 3V đến 32V  Điện áp đầu từ V đến 35V  Dòng đáp ứng 4A, có hiệu suất làm việc 94% Hồng Văn Long K16-KTĐ-ĐHKTCN Thái Nguyên Page 54 Luận văn tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện Hình 4.7: Mạch tăng áp sử dụng IC XL6009 Hình 4.8: Sơ đồ khai triển IC XL6009 232μH 220/3 220/3 Hình 4.9: Sơ đồ nguyên lý mạch tăng áp sử dụng IC XL6009 Hoàng Văn Long K16-KTĐ-ĐHKTCN Thái Nguyên Page 55 Luận văn tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện Hình 4.10: Điện áp vào mạch tăng áp sử dụng IC XL6009 Hình 4.11: Điện áp lớn mạch tăng áp sử dụng IC XL6009 Hoàng Văn Long K16-KTĐ-ĐHKTCN Thái Nguyên Page 56 Luận văn tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện Hình 4.12: Điện áp 20V mạch tăng áp sử dụng IC XL6009 4.3 Mạch DC - AC 4.3.1 Sơ đồ lắp rạp biến đổi DC - AC: Được minh họa hình 4.13 Hình 4.13: Sơ đồ lắp ráp biến đổi DC - AC theo tài liệu [5] Hoàng Văn Long K16-KTĐ-ĐHKTCN Thái Nguyên Page 57 Luận văn tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện 4.3.2 Kết thực nghiệm Hình 4.14: Điện áp hình sin 220V biến đổi DC - AC Hình 4.15: Điện áp hình sin 220V nhìn gần Hồng Văn Long K16-KTĐ-ĐHKTCN Thái Nguyên Page 58 Luận văn tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện 4.4 Kết luận Mạch DC - DC tăng áp giảm áp hoạt động tốt, cung cấp đầu vào cho mạch DC - AC để nhận điện áp xoay chiều pha đầu có dạng hình sin chuẩn Như vậy, thiết bị tích trữ lượng siêu tụ nhận nguồn chiều tưg lưới (chế độ nạp) đưa nguồn chiều lưới chế độ xả, phối hợp với mạch DC - DC tăng giảm áp mạch DC - AC Hoàng Văn Long K16-KTĐ-ĐHKTCN Thái Nguyên Page 59 Luận văn tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Nội dung luận văn tập trung vào nghiên cứu thiết bị kho điện sử dụng siêu tụ với ba thành phần: Siêu tụ, biến đổi DC - DC hai chiều thừa hướng thành mạch DC - AC tài liệu [5] thành hệ thống hoàn chỉnh Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn hoàn thành chương sau: Chương NGHIÊN CỨU KHÁI QUÁT VỀ NĂNG LƯỢNG MỚI VÀ NGUỒN ĐIỆN ĐỘC LẬP Chương XÂY DỰNG MƠ HÌNH THIẾT BỊ KHO ĐIỆN SỬ DỤNG SIÊU TỤ Chương THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC Chương ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG BỘ BIẾN ĐỔI DC - DC VÀ DC-AC KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận văn đạt là: Xây dựng hệ thống hoàn chỉnh đánh giá chất lượng làm việc khối riêng lẻ (DC - DC tăng áp giảm áp, kết nối với DC - AC) Tuy vậy, việc kết nối hồn chỉnh hệ thống cịn chưa hồn thiện, lý siêu tụ đặt mua chuyển muộn, thông số lại không rõ ràng, thời gian bị hạn chế nên số dự định bị dang dở Kiến nghị Với thời gian nghiên cứu cịn ít, kiến thức kinh nghiệm thực tiễn có hạn, nội dung luận văn số hạn chế Tác giả tiếp tục nghiên cứu hồn thiện để áp dụng tốt kết nghiên cứu vào công tác chuyên môn sau này, áp dụng thiết bị tích trữ lượng siêu tụ vào hệ thống lượng tái tạo Hoàng Văn Long K16-KTĐ-ĐHKTCN Thái Nguyên Page 60 Luận văn tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện TÀI LIỆU THAM KHẢO A H M A Rahim and M Ahsanul Alam; STATCOM- Supercapacitor Control for Low Voltage Performance Improvement of Wind Generation System, Arab J Sci Eng, vol, DOI 10.1007/s1-012-04713, 2012 http://hshop.vn/ http://datasheetcatalog.com Nguyễn Thị mai Hương (2012), Sách lược điều khiển nhằm nâng cao tính bền vững hệ thống phát điện chạy sức Mặt trời sử dụng máy điện không đồng nguồn kép, LATS Đại học Thái Nguyên Phạm Đình Lịch, Nghiên cứu thiết kế chế tạo biến đổi DC-AC chất lượng cao, LV thạc sỹ khóa 14 TĐH Phước, N D (2005), Lý thuyết điều khiển tuyến tính, NXB Khoa học & Kỹ thuật Địch Nguyễn Phùng Quang, Nguyễn Huy Phương Nguyễn Quang (2014), Khái quát vấn đề điều khiển hệ thống phát điện sức Mặt trời, Hội nghị khoa cơng nghệ điện lực tồn quốc Nguyễn Phùng Quang (2006), Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, NXB Khoa học Kỹ thuật Tiêu chuẩn ắc quy, TCVN 4472 - 1993 10 www.vft.com.vn mục “Bộ nghịch lưu sin sử dụng điều chế độ rộng xung PWM” gửi ngày 12/10/2010 Hoàng Văn Long K16-KTĐ-ĐHKTCN Thái Nguyên Page 61 ... THUẬT CÔNG NGHIỆP HOÀNG VĂN LONG Tên đề tài: NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG CÔNG CỘNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KẾT HỢP VỚI ĐIỆN LƯỚI... thuật điện LỜI CẢM ƠN Trong suốt trình tìm hiểu thực luận văn "Nghiên cứu phương pháp điều khiển thiết bị tích trữ lượng hệ thống chiếu sáng công cộng sử dụng lượng mặt trời kết hợp với điện lưới",... hai thiết bị tích trữ lượng gọi kho điện kể trên, cịn có số thiết bị tích trữ lượng bánh đà tích trữ năng, pin nhiên liệu tích trữ hóa thủy điện tích năng, … 1.5.3 Các yêu cầu thiết bị tích trữ lượng