Tính toán giải pháp nâng cao hiệu quả vận hành của hệ thống pin mặt trời

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HUỲNH NGỌC TUYẾN C C TÍNH TỐN GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ VẬN HÀNH CỦA HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI R L T DU LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng, 04/2021 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HUỲNH NGỌC TUYẾN TÍNH TỐN GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ VẬN HÀNH CỦA HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI C C R L T Chuyên ngành: Kỹ thuật điện DU Mã số: 8520201 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: TS ĐOÀN ANH TUẤN Đà Nẵng, 04/2021 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Nội dung luận văn có trích dẫn số tài liệu chuyên ngành điện Việt Nam, số tổ chức khoa học giới hệ thống lượng mặt trời Các số liệu, kết nghiên cứu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tác giả luận văn Huỳnh Ngọc Tuyến C C DU R L T MỤC LỤC MỤC LỤC .iv DANH MỤC CÁC BẢNG vi DANH MỤC CÁC HÌNH vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT .ix MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Nội dung nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Bố cục đề tài C C CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯƠNG MẶT TRỜI VÀ CÁC BỘ R L T CHUYỂN ĐỔI DC/DC 1.1 Tổng quan phát triển lượng tái tạo DU 1.2 Một số mơ hình khai thác lượng mặt trời 10 1.2.1 Điện mặt trời 10 1.3 Pin lượng mặt trời 11 1.3.1 Phân loại pin lượng mặt trời 12 1.3.2 Mơ hình hóa pin lượng mặt trời 13 1.4 Các chuyển đổi DC/DC 17 1.4.1 Mạch chuyển đổi tăng áp (Boost Converter) 17 1.4.2 Mạch giảm áp 20 1.5 Kết luận 23 CHƯƠNG CÁC THUẬT TỐN BẮT ĐIỂM CƠNG SUẤT CỰC ĐẠI MPPT (MAXIMUM POWER POINT TRACKING) 24 2.1 Giới thiệu chung 24 2.2 Đường đặc tính Vơn-Ampe đặc tính cơng suất pin 24 2.3 Các thuật toán bắt điểm công suất cực đại 26 2.3.1 Thuật toán P&O 26 2.3.2 Thuật toán điện dẫn gia tăng INC (Incremental Conductance) 28 2.3.3 Thuật toán leo đồi (Hill Climbing) 30 2.4 Mô thuật toán Matlab Simmulink 31 2.4.1 Giới thiệu 31 2.4.2 Giải thích khối hàm mơ hình Matlab simulink 34 2.4.3 Các kết mô 35 2.5 Kết luận 40 CHƯƠNG THUẬT TỐN BẮT ĐIỂM CƠNG SUẤT CỰC ĐẠI MPPT SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP LAI 41 3.1 Giới thiệu .41 3.2 Thuật toán MPPT lai 41 3.2.1 Sơ đồ thuật toán MPPT lai 41 3.2.2 Chương trình thuật tốn 42 3.2.3 Kết mơ thuật tốn MPPT lai 43 C C 3.3 So sánh thuật toán MPPT lai với thuật toán INC P&O: 45 R L T 3.4 Kết luận: 47 CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI CẤP ĐIỆN CHO MỘT DU PHỤ TẢI 49 4.1 Tinh toán thiết kế hệ thống lượng mặt trời 49 4.2 Số liệu tính tốn hệ thống điện lượng mặt trời khu vực nhà học viên trường Cao đẳng GTVT TW5 51 4.2.1 Địa điểm thiết kế 51 4.2.2 Thông số phụ tải khu nhà học viên: 54 4.2.3 Thông số Trạm biến áp khu nhà học viên 57 4.2.4 Lựa chọn phương án công suất hệ thống điện mặt trời 57 4.2.5 Tính toán lựa chọn hệ thống pin mặt trời 58 4.2.6 Tinh toán hiệu xây dựng hệ thống pin mặt trời cấp điện cho khu nhà học viên trường Cao đẳng GTVT TW5 61 4.2.7 Tính tốn hiệu công suất hệ thống PV thu thuật toán MPPT 64 4.3 Kết luận 66 KẾT LUẬN, HẠN CHẾ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 68 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 PHỤ LỤC 70 DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu Tên bảng bảng Trang 1.1 Số liệu xạ mặt trời Việt Nam 1.2 Tổng lượng xạ số địa phương miền Trung nước ta 1.3 Số năm số địa phương miền Trung nước 4.1 Dữ liệu thời tiết Đà Nẵng (Nguồn: Phần mềm Meteonorn 7.1) 53 4.2 Công suất tiêu thụ khu nhà học viên 56 4.3 Chi phí đầu tư hệ thống phát điện có sử dụng lượng mặt trời 61 4.4 Chi phí vận hành bảo dưỡng 62 4.5 Các thành phần điện cung cấp từ hệ thống lưới điện 63 4.6 Các thành phần điện thu sử dụng thuật toán MPPT 65 C C DU R L T DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu Tên hình hình Trang 1.1 Bản đồ xạ mặt trời Việt Nam 1.2 Bản đồ nhiệt độ trung bình năm Việt Nam 1.3 Năng lượng mặt trời dạng lắp mái trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng 1.4 Nguồn lưu trữ công suất thấp dùng điện mặt trời 1.5 Cấu tạo tế bào pin mặt trời 1.6 Pin mono pin poly 11 1.7 Sơ đồ mạch tương đương Solar Cell 11 1.8 Sơ đồ mạch tương đương pin mặt trời 12 1.9 C C R L T Đặc tính I-V pin BXMT thay đổi nhiệt độ môi trường giữ nguyên DU 13 1.10 Đặc tính P-V pin BXMT thay đổi nhiệt độ môi trường giữ nguyên 13 1.11 Đặc tính I-V pin nhiệt độ môi trường thay đổi BXMT giữ nguyên 14 1.12 Đặc tính P-V pin nhiệt độ mơi trường thay đổi BXMT giữ nguyên 14 1.13 Sơ đồ nguyên lý mạch DC/DC tăng áp Boost 15 1.14 Trạng thái làm việc mạch tăng áp khóa S đóng 15 1.15 Trạng thái làm việc mạch tăng áp khóa S mở 16 1.16 Dạng sóng điện áp dịng điện mạch tăng áp chu kỳ 17 1.17 Sơ đồ nguyên lý mạch giảm áp 18 1.18 Trạng thái làm việc mạch giảm áp khóa S đóng 18 1.19 Trạng thái làm việc mạch giảm áp khóa S mở 19 1.20 Dạng sóng điện áp dịng điện mạch giảm áp chu kỳ 19 2.1 Tấm pin mặt trời mắc trực tiếp với tải trở với giá trị thay đổi 24 2.2 Đường đặc tính làm việc pin tải trở có giá trị điện trở thay đổi 25 2.3 Nguyên lý tìm điểm làm việc công suất lớn P&O 26 2.4 Lưu đồ thuật tốn P&O 27 2.5 Ngun lý tìm điểm cơng suất cực đại phương pháp INC 28 2.6 Sơ đồ thuật toán INC 29 2.7 Giải thuật Hill Climbing dị tìm điểm cơng suất cực đại 30 2.8 Đặc tính mơ hình pin quang điện 32 2.9 Mơ hình mô 33 2.10 Khối đầu vào xạ, nhiệt độ pin quang điện 34 2.11 Khối thuật tốn MPPT 34 2.12 Mơ hình chuyển đổi tăng áp (Boost converter) 35 2.13 Mơ hình phía kết nối với lưới điện 35 2.14 Kết mô thuật tốn bắt điểm cơng suất cực đại P&O 2.15 Kết mơ thuật tốn bắt điểm cơng suất cực đại INC 37 3.1 Sơ đồ thuật toán MPPT sử dụng phương pháp lai 42 3.2 Kết mô thuật tốn bắt điểm cơng suất cực đại lai 44 3.3 Công suất hệ thống PV thu thuật toán 45 3.4 Điện hệ thống PV thu thuật toán MPPT vùng 46 3.5 Điện hệ thống PV thu thuật toán MPPT vùng 47 4.1 Bản vẽ thiết kế xây dựng phần mái khu nhà học viên 52 4.2 Bản vẽ thiết kế phụ tải điện khu nhà học viên 55 C C R L T DU 36 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Ký hiêu, từ viết tắt Tên Tiếng Việt MPPT Bắt điểm công suất cực đại MPP Điểm công suất cực đại DC/DC Chuyển đổi lượng chiều/một chiều BXMT Bức xạ mặt trời NLMT Năng lượng mặt trời PV Pin quang điện P&O Thuật toán nhiễu loạn quan sát INC Thuật toán điện dẫn gia tăng Hill Climbing Thuật toán leo đồi DC/AC Chuyển đổi lượng chiều/xoay chiều PWM Điều rộng xung C C DU R L T TÍNH TỐN GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ VẬN HÀNH CỦA HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI Học viên: Huỳnh Ngọc Tuyến Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 8520201 Khóa: K36ĐN Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt: Năng lượng tái tạo trở thành giải pháp thiết thực để đáp ứng vấn nạn môi trường cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch Tuy nhiên, ảnh hưởng yếu tố tự nhiên: vận tốc gió, tượng che khuất mặt trời,… gây nhiều tác động xấu đến nguồn lượng tái tạo đặc biệt với nguồn lượng mặt trời Sự thay đổi bất thường nhiệt độ xạ nhiệt ngày làm cho lượng đầu pin quang điện biến động Những chuyển đổi DC/DC kết hợp phương pháp điều khiển phát triển nghiên cứu để đáp ứng yêu cầu đầu hệ thống pin quang điện có thay đổi đột ngột giá trị đầu vào Để nâng cao hiệu suất làm việc pin lượng đầu ra, thuật tốn “Bắt điểm cơng suất cực đại-MPPT” phải tích hợp vào Hai phương pháp MPPT sử dụng phổ biến là: Thuật toán nhiễu loạn quan sát P&O (Perturb and Observe) Thuật toán điện dẫn gia tăng INC (Incremental Conductance), song hai phương pháp tồn nhiều nhược điểm: khả đáp ứng chậm, gây thất phần lượng,… Do đó, cần phải có thêm thuật tốn cải tiến Đề tài tính tốn giải pháp để nâng cao hiệu hệ thống pin quang điện có thêm thuật tốn MPPT lai cải tiến nhằm khắc phục số nhược điểm cịn tồn thuật tốn trước thiết kế hệ thống lượng mặt trời cấp điện cho phụ tải Từ khóa: Bộ chuyển đổi DC/DC ; Bộ tăng áp; P&O; INC; Hill Climbing C C R L T DU CALCULATING SOLUTIONS TO IMPROVE THE OPERATING EFFICIENCY OF SOLAR BATTERRY SYSTEMS Abstract: Renewable energy is becoming the most practical solution to environmental problems as well as the exhaustion of fossil fuels However, the effects of natural factors such as wind velocity, solar obscuration, cause many adverse impacts on renewable energy sources and especially on solar energy Abnormal changes in temperature and heat radiation during the day make the output power of solar panels fluctuating DC / DC converters in combination with control methods are being developed to meet the output requirements of photovoltaic system when there is a sudden change of input values To improve the performance of the cells as well as the output power, the algorithms "Maximum Power Point Tracking - MPPT" must also be integrated Currently, two popularly used MPPT methods are: Perturbation and Observation Algorithm - P&O, Incremental Conductance Algorithm - INC, but these two methods still exist many weaknesses such as slow response, partial energy loss and so on Therefore, more advanced algorithms are needed This project proposes a hybrid MPPT algorithm to improve the performance of photovoltaic system, overcome some disadvantages existed in previous algorithms and design a power system the amount of the sun provides electricity for a load Keywords: DC / DC converters; boost converters; P&O; INC; Hill Climbing 70 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Trọng Vũ, Huỳnh Minh Phương, “Thiết kế điều khiển cho biến đổi điện tử công suất”, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, 2014, trang 57-59 [2] Global Solar Atlas (Online) Available: http://globalsolaratlas.info [3] “Thông tư 16/2017/TT-BCT”, “Quyết định số 11/2017/QĐ-TTg” (Online) Available: http://vanban.chinhphu.vn/portal/page/portal/chinhphu/hethongvanban [4] Tạ Văn Ða, Hoàng Xuân Cơ, Ðinh Manh Cưòng, Đăng Thị Hải Linh, Đăng Thanh An, Lê Hữu Hải, “Khả khai thác lượng mặt trời phục vụ hoạt động đời sống miền trung”, Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Tập 32, Số 1S (2016), 83-88 C C [5] Duong Minh Quan, Dinh Thi Sen, ‘Effects of shading on photovoltaic R L T module and solution’, Journal of Science and Technology - University of Danang, pp 26-29, April 2017 DU [6] Bùi Lê Anh Huy, “Thiết Kế Lắp Đặt Bộ Giảm Áp DC/DC Dùng Trong Hệ Thống Năng Lượng Mặt Trời Nối Lưới”, Đại học Bách khoa Đà Nẵng, 2018 [7] Phạm Quốc Hải, “Hướng dẫn thiết kế Điện tử Công suất”, Nhà xuất Khoa học Kĩ thuật - Hà Nội, 2009 [8] Haifeng Fan, “Design tips for an efficient non-inverting Buck-Boost converter,” Analog Applications Journal [9] Lưu Ngọc An, 2017 “ Năng lượng tái tạo & công nghệ ”, Trường ĐHBK Đà Nẵng [10] Lưu Ngọc An, Trần Huy, 2017 “ Ứng dụng phần mềm PVsyst thiết kế hệ thống điện lượng mặt trời áp mái Premier villade danang resort ”, http://tapchikhcn.udn.vn [11] Hoàng Dương Hùng, Năng lượng mặt trời lý thuyết ứng dụng”, Phần 71 PHỤ LỤC Tính tốn điện tiêu thụ năm theo phụ tải Tổng công suất Tên phụ tải STT tiêu thụ (kW) Hệ thống chiếu sáng, ổ cắm 60 Đại sảnh, đèn cầu thang, hành lang, phòng kỹ thuật, nhà vệ sinh Bảng cấp điện cho máy bơm sinh hoạt, chữa cháy, báo cháy trung tâm, thông tin liên lạc, camera Thang máy C C R L T Hệ thống điều hịa khơng khí, bình nước nóng DU 27.5 7.5 35 Khu nhà học viên trường Cao đẳng GTVT TW5 hoạt động lúc 18h tối đến 6h sáng hôm sau nên thời gian hoạt động 12 tiếng Đồng thời đặc thù trường học học viên nghĩ tháng hè nên ta dự tính điện tiêu thụ năm sau: Phụ tải : (tháng) * 30 (ngày) * 12 (giờ) * 60 (kW) = 194.400 (kWh) Phụ tải : (tháng) * 30 (ngày) * 12 (giờ) * (kW) = 19.400 (kWh) Phụ tải : (tháng) * 30 (ngày) * (giờ) * 27,5 (kW) = 22.275 (kWh) Phụ tải : (tháng) * 30 (ngày) * (giờ) * 7,5 (kW) = 4.050 (kWh) Phụ tải : (tháng) * 30 (ngày) * (giờ) * 35 (kW) = 75.600 (kWh)  Điện tiêu thụ hàng năm : 315.725 (kWh) = 315,725 (MWh) 72 PHỤ LỤC Bảng báo cáo kết mô phần mềm PVsyst C C DU R L T 73 C C DU R L T 74 C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T ... công suất hệ thống điện mặt trời 57 4.2.5 Tính tốn lựa chọn hệ thống pin mặt trời 58 4.2.6 Tinh toán hiệu xây dựng hệ thống pin mặt trời cấp điện cho khu nhà học viên trường Cao đẳng... Thiết kế hệ thống pin mặt trời mang tính ứng dụng thực tế; - Thời gian nghiên cứu: 06 tháng DU Nội dung nghiên cứu Đề tài ? ?Tính tốn giải pháp để nâng cao hiệu vận hành hệ thống điện mặt trời? ?? tập... xạ nhiệt cao (trung bình xấp xỉ KWh/m2/ngày), đánh giá khu vực có tiềm lớn lượng mặt trời Để giải vấn đề này, chọn đề tài: ? ?Tính tốn giải pháp nâng cao hiệu vận hành hệ thống pin mặt trời? ?? Nội