Mô phỏng hệ thống điện mặt trời nối lưới

ðại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA −−−−−−−−−− MAI BÁ LỘC MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ðIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI Chuyên ngành: Thiết bị, Mạng Nhà máy ñiện LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2009 CƠNG TRÌNH ðƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA ðẠI 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 1: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 2: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ ñược bảo vệ HỘI ðỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày … tháng 08 năm 2009 Lời cảm ơn Con cảm ơn bố mẹ! Bố mẹ nuôi nấng, dạy dỗ nên người chỗ dựa tinh thần vững cho đời Em xin gửi lời cảm ơn thầy Nguyễ Nguyễn Hữu Phúc với trân trọng lòng biết ơn sâu sắc hướng dẫn nhiệt tình thầy Thầy dẫn dắt em, tạo cho em cách tư làm việc độc lập suốt thời gian hoàn thành luận văn Em xin chân thành cảm ơn thầy cô hết lòng truyền đạt kiến thức quý báu, nhờ em trang bị tảng kiến thức vững để vững vàng công việc chuyên môn sau Tôi xin cảùm ơn tất bạn học tập, giúp đỡ, động viên quãng thời gian hai năm vừa qua Học viên: Mai Bá Lộc TP Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2009 Lời nói đầu LỜI NĨI ðẦU Nằm vùng nhiệt đới, có tổng lượng xạ mặt trời trung bình khoảng 1700kWh/m2.năm, Việt Nam xem quốc gia tiềm nguồn lượng vơ tận Tuy nhiên, nay, ứng dụng lượng mặt trời nước ta chủ yếu làm giàn đun nước nóng; điện mặt trời quan tâm giá thành q cao (chủ yếu giá pin mặt trời cao hiệu suất chuyển ñổi lượng pin thấp) thường ñược dùng cho vùng sâu, vùng xa, hải ñảo… nơi mà ñiện lưới quốc gia chưa thể ñến ñược Tuy nhiên, nhà khoa học ñã dự báo, khoảng 10 – 15 năm tới, công nghệ vật liệu có bước tiến vượt bậc, ñẩy giá pin mặt trời xuống thấp làm tăng cao hiệu suất pin Khi việc thương mại hóa điện mặt trời cấp độ hộ gia đình nước ta khả thi Viễn cảnh tương lai gia đình có hệ thống ñiện mặt trời riêng, kết nối với lưới ðiện mặt trời sản xuất khơng tự dùng cho nhu cầu gia đình mà cịn tải lên lưới dư thừa Giới khoa học giới ñã ñề xuất việc nối lưới hệ thống ñiện mặt trời từ lâu, cho cơng bố nhiều mơ hình, nhiều chiến lược ñiều khiển khác Và tại, chúng ñang ñề tài thu hút ý nhà nghiên cứu, nhằm hoàn thiện kỹ thuật điều khiển có Tuy nhiên, Việt Nam, điện mặt trời cịn vấn ñề mẻ, ñược ñề cập ñến vài năm trở lại Cũng mà việc nghiên cứu bước ñi ñầu tiên ðề tài nghiên cứu cấp ðại học Quốc Gia TP.HCM (ðHQG HCM): “Nghiên cứu, thiết kế hệ thống ñiện mặt trời nối lưới, công suất 1kW” PGS TS Nguyễn Hữu Phúc cộng ðH Bách khoa – ðHQG HCM số Mục tiêu ñề tài nhằm mang lại hiểu biết vấn đề cịn cho người có quan tâm, kiểm chứng lý thuyết điều khiển thực nghiệm ðề tài ñược thực năm (2007-2009) với kinh phí 300 triệu đồng Là phận đề tài nói trên, luận văn tập trung nghiên cứu nhằm đưa mơ hình hệ thống điện mặt trời cơng suất nhỏ, khơng có acquy tồn trữ, sử dụng cho hộ gia đình có kết nối với lưới Mơ hình, chiến lược điều khiển hệ thống mơ cơng cụ Matlab/Simulink iv Mục lục MỤC LỤC Trang Nhiệm vụ i Nhận xét cán hướng dẫn, cán phản biện ii Lời cảm ơn iii Lời nói đầu iv Mục lục v Chương MƠ HÌNH HỆ THỐNG ðIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI 1.1 Solar Cell Array 1.2 DC/DC Converter 1.3 Inverter 1.4 Filter 1.5 Load 1.6 Utility Grid Chương CHIẾN LƯỢC ðIỀU KHIỂN HỆ THỐNG 2.1 ðiều khiển công suất giàn pin 2.2 ðiều khiển Inverter 11 Chương MÔ PHỎNG HỆ THỐNG BẰNG MATLAB/SIMULINK 15 3.1 Mô hình mơ 15 3.2 Kết mô 31 Tổng kết hướng phát triển ñề tài 38 Tài liệu tham khảo 39 v Chương 1: Mơ hình hệ thống điện mặt trời nối lưới Chương MƠ HÌNH HỆ THỐNG ðIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI Luận văn ñề xuất hệ thống ñiện mặt trời nối lưới ba pha, 380V, tần số 50Hz, khơng có ắcquy tồn trữ theo mơ sau: Hình 1.1 – Mơ hình hệ thống điện mặt trời nối lưới 1.1 SOLAR CELL ARRAY Solar cell array giàn pin mặt trời Pin mặt trời có tên tiếng Anh photovoltaic hay solar cell (trong luận văn, ñể tránh lặp từ dài, pin mặt trời ñược gọi tắt pin) Pin ñược chế tạo thành cell có kích thước nhỏ, cell ghép lại thành module, nhiều module hợp lại thành array (Hình 1.2) Chương 1: Mơ hình hệ thống điện mặt trời nối lưới Hình 1.2 - Pin mặt trời dạng cell, module, array ðặc tính pin mặt trời ðồ thị bên phải Hình 1.3 mơ tả đặc tuyến dịng-áp, cơng suất-điện áp pin Theo đó, ñiện áp tăng từ 0V (ngắn mạch) ñến 16V, dòng ñiện mức cao suy giảm Nhưng kể từ 16V trở dịng giảm nhanh 0A áp ñạt 22V (hở mạch) Ta thấy công suất mà pin phát khơng điểm, đạt giá trị cực ñại áp 16V, giảm dần hai phía ðồ thị bên trái Hình 1.3 cho thấy dịch chuyển đặc tuyến cơng suất-điện áp pin cường ñộ xạ mặt trời thay ñổi Bức xạ giảm làm dòng áp suy giảm theo Hệ công suất suy giảm tương ứng Khi nhiệt độ tăng dịng ngắn mạch khơng đổi áp hở mạch lại giảm (Hình 1.4) Cơng suất pin cịn phụ thuộc vào góc tới tia xạ Theo đó, góc tới (góc hợp phương tia xạ pháp tuyến bề mặt pin) nhỏ hiệu suất pin lớn Chương 1: Mơ hình hệ thống điện mặt trời nối lưới Hình 1.3 - ðường đặc tính I-V pin theo cường ñộ xạ ñường cong I-V, P-V pin điển hình Hình 1.4 - ðường đặc tính I-V pin theo nhiệt độ Với đặc tính trên, để sử dụng hiệu pin mặt trời, ta cần có điều chỉnh tải (điều chỉnh dịng áp) cho cơng suất pin sinh ln đạt giá trị gần với giá trị cực đại (có tính đến thay đổi cường độ xạ, nhiệt độ, góc tới v.v…) Do đó, vấn đề theo dấu cơng suất cực đại (Maximum Chương 1: Mơ hình hệ thống điện mặt trời nối lưới Power Point Tracking – MPPT) pin có ý nghĩa định đến hiệu suất chuyển đổi lượng hệ thống Các cell có đặc tính dịng áp độc lập nhau; đó, muốn có điện áp lớn ta mắc cell nối tiếp, muốn có dịng lớn ta phải mắc chúng song song Hình 1.5 - Nối nối tiếp nhiều module để tăng điện áp Hình 1.6 - Nối song song nhiều module để tăng dịng điện Chương 1: Mơ hình hệ thống điện mặt trời nối lưới Hình 1.7 - Nối hỗn hợp module để tăng áp dịng Trong mơ phỏng, giàn pin thiết kế để ñiều kiện chuẩn (bức xạ o 1000W/m , nhiệt ñộ 27 C) có ñiện áp hở mạch 150V, dịng ngắn mạch 7.34A, cơng suất cực đại 1026W đạt (142.1V, 7.22A) 1.2 DC/DC CONVERTER DC/DC Converter có cấu trúc boost converter (bộ tăng thế), có nhiệm vụ ñiều khiển giàn pin hoạt ñộng lân cận điểm cơng suất đạt cực đại (trong điều kiện có thay ñổi cường ñộ xạ mặt trời nhiệt độ mơi trường, v.v…) ðiều giúp hệ thống ln hoạt động chế độ tối ưu, tận dụng hết khả phát ñiện giàn pin Khi linh kiện IGBTb đóng, dịng điện IL từ cực dương giàn pin chạy qua cuộn cảm Lb, ñi tắt qua IGBTb trở cực âm giàn Lúc dòng IL tăng, áp Vp hai ñầu giàn pin giảm theo thời gian Tụ Cb khơng nạp, lại dần lượng phải cung cấp dịng DC cho Inverter chuyển hóa thành dòng AC (cung cấp cho tải lưới) nên ñiện áp hai ñầu tụ giảm dần Hình 3.10 – Khối Calculation Chương 3: Mô hệ thống Matlab/Simulink 25 Chương 3: Mô hệ thống Matlab/Simulink Hình 3.11 – Khối Instantaneous Power Calculation 26 Hình 3.12 – Khối Current References Calculation Chương 3: Mô hệ thống Matlab/Simulink 27 Chương 3: Mô hệ thống Matlab/Simulink Hình 3.13 – Khối Inverter Current Meter 28 Chương 3: Mơ hệ thống Matlab/Simulink Hình 3.14 – Khối Hysteresis Current Controller 29 Hình 3.15 – Khối Inverter Chương 3: Mô hệ thống Matlab/Simulink 30 Chương 3: Mô hệ thống Matlab/Simulink 3.2 KẾT QUẢ MƠ PHỎNG Trong mơ phỏng, luận văn sử dụng linh kiện thông số sau: Lb = 180mH, Cb1 = Cb2 = 375mF, Lf = 100mH, Cf = 70uF, sóng cưa dùng cho MPPT có tần số 5000Hz, bước thời gian mô 4us ðể hiển thị rõ giá trị điện áp dịng điện trục, điện áp ñược chia cho 63V trước ñưa vào scope 3.2.1 Trường hợp Cơng suất cực đại giàn pin 1026W Ban đầu lưới cung cấp tồn công suất cho tải P = 500W, Q = 510Var (cosϕ = 0.7) Tại thời ñiểm t = 0.4s, hệ thống ñiện mặt trời ñược nối vào lưới Cosφ yêu cầu lưới 31 Chương 3: Mô hệ thống Matlab/Simulink Các đồ thị có từ q trình mơ cho thấy, lúc đầu, lưới cung cấp công suất thực công suất phản kháng cho tải, dịng iaa chậm pha so với Va, iaa = ia Sau hệ thống ñiện mặt trời ñược nối vào, lượng từ Inverter xuất khơng đủ dùng cho tải mà cịn có dư ñể ñưa vào lưới (iaa ngược pha với Va) ðồ thị cho thấy thời gian hội tụ ¼ chu kỳ lưới nguồn 3.2.2 Trường hợp Công suất cực ñại giàn pin 1026W Ban ñầu lưới cung cấp tồn cơng suất cho tải P = 1500W, Q = 1530Var (cosϕ = 0.7) Tại thời ñiểm t = 0.4s, hệ thống ñiện mặt trời ñược nối vào lưới Cosφ yêu cầu lưới 32 Chương 3: Mơ hệ thống Matlab/Simulink Các đồ thị chứng tỏ, lúc ñầu, lưới cung cấp công suất thực công suất phản kháng cho tải, dịng iaa chậm pha so với Va, iaa = ia Sau hệ thống ñiện mặt trời ñược nối vào, lượng từ Inverter xuất cung cấp phần nhu cầu tải, phần lại phải nhờ ñến lưới Lưới cung cấp cho tải lượng hơn, lại có Inverter giúp giải hết nhu cầu công suất phản kháng tải nên dịng đường giảm đáng kể Dịng iaa pha với Va, cosφ thật 3.2.3 Trường hợp Cơng suất cực đại giàn pin 1026W Khởi ñầu, lưới, tải hệ thống ñiện mặt trời ñều ñược kết nối với Tải lúc có P = 500W, Q = 510Var (cosϕ = 0.7) Tại thời ñiểm t = 0.4s, tải ñột ngột tăng lên P = 1500W, Q = 1530Var Cosφ yêu cầu lưới 33 Chương 3: Mô hệ thống Matlab/Simulink Ta có nhận xét sau, lúc ñầu Inverter cung cấp lượng cho lưới tải, ia ngược pha với Va Nhưng ñến thời điểm t = 0.4s, cơng suất tải u cầu lớn nên lưới Inverter ñều phải cung cấp lượng cho nó, ia trở nên pha với Va Một Inverter gánh cơng suất phản kháng tăng lên nên dịng tăng gần gấp rưỡi 3.2.4 Trường hợp Cơng suất cực đại giàn pin 1026W Khởi ñầu, lưới, tải hệ thống ñiện mặt trời ñều ñược kết nối với Tải lúc có P = 500W, Q = 0Var (cosϕ = 1) Tại thời ñiểm t = 0.4s, tải ñột ngột có Q = -510Var (tải dung) Cosφ yêu cầu lưới 34 Chương 3: Mô hệ thống Matlab/Simulink Vì P khơng thay đổi nên trước sau có thay đổi Q, lưới ln nhận cơng suất từ Inverter, dịng iaa giữ nguyên giá trị ngược pha với Va Lúc ñầu ia ica ñều pha với Va; sau Q thay ñổi, ia sớm pha (tải cảm) ica sớm pha (do cung cấp Q < cho tải, lưu ý chiều dịng điện ica theo Hình 3.1 3.2.5 Trường hợp Cơng suất cực ñại giàn pin 1026W Khởi ñầu, lưới, tải hệ thống ñiện mặt trời ñều ñược kết nối với Tải lúc có P = 500W, Q = 0Var (cosϕ = 1) Tại thời ñiểm t = 0.4s, tải đột ngột có Q = 510Var (cảm) Cosφ yêu cầu lưới 35 Chương 3: Mô hệ thống Matlab/Simulink Vì P khơng thay đổi nên trước sau có thay đổi Q, lưới nhận công suất từ Inverter, dòng iaa giữ nguyên giá trị ngược pha với Va Lúc ñầu ia ica ñều pha với Va; sau Q thay ñổi, ia trễ pha (tải cảm) ica trễ pha so với Va (do cung cấp Q > cho tải, lưu ý chiều dịng điện ica theo Hình 3.1 36 Tổng kết hướng phát triển ñề tài TỔNG KẾT VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ðỀ TÀI TỔNG KẾT: Luận văn ñã trình bày nội dung sau: Giới thiệu thành phần có liên quan hệ thống điện mặt trời nối lưới ba pha, khơng có ắcquy tồn trữ Nghiên cứu ñề xuất chiến lược ñiều khiển hệ thống Thực thi giải thuật mô hệ thống chế độ khác mơi trường Matlab/Simulink NHẬN XÉT: Do có khó khăn việc tiếp cận tài liệu liên quan (ñặc biệt báo quốc tế), nữa, thời gian hoàn thành luận văn có hạn nên luận văn cịn có hạn chế sau: Chưa thể so sánh, chọn lọc phương pháp điều khiển tốt (hoặc giả đối chiếu với cơng trình tương tự) Chưa đề cập ñến vấn ñề chất lượng ñiện mà hệ thống ñiện mặt trời cung cấp; giá trị linh kiện thơng số dùng mơ chọn nhiều cảm tính mà chưa có đánh giá cụ thể Thời gian mơ chương trình tạo lập Matlab/Simulink lâu, ñể nghiên cứu ñáp ứng ñộ hệ thống có biến ñổi ñột ngột cường ñộ xạ mặt trời Chính điều mà luận văn chưa thể khảo sát vấn đề có liên quan 37 Tổng kết hướng phát triển ñề tài HƯỚNG PHÁT TRIỂN ðỀ TÀI: Hướng phát triển ñề tài là: Khắc phục vấn đề nêu phần Nhận xét Tính ñến việc tích hợp hệ thống lượng khác lượng gió, v.v… … 38 Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] T Esram, J.W Kimball, P.T Krein, P.L Chapman, and P Midya, “Dynamic maximum power point tracking of photovoltaic arrays using ripple correlation control”, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol 21, No 5, Sep 2006, pp 1282-1291 [2] P.G Barbosa, L.G.B Rolim, V.V Tavares, E.H Watanabe, and R Hanitsch, “Novel control strategy for grid-connected DC-AC converters with load power factor and MPPT control” [3] H.H El-Tamaly, Adel A El-Baset Mohammed, “Computer simulation of photovoltaic power system interconnected with utility grid”, Al-Azhar University Engineering Journal, Vol 8, No 7, Jan 2005, pp 57-64 - Internet … 39 ... có hệ thống điện mặt trời riêng, kết nối với lưới ðiện mặt trời sản xuất khơng tự dùng cho nhu cầu gia đình mà cịn tải lên lưới dư thừa Giới khoa học giới ñã ñề xuất việc nối lưới hệ thống điện. .. ðIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI Luận văn ñề xuất hệ thống ñiện mặt trời nối lưới ba pha, 380V, tần số 50Hz, khơng có ắcquy tồn trữ theo mơ sau: Hình 1.1 – Mơ hình hệ thống ñiện mặt trời nối lưới 1.1 SOLAR... sơ đồ tổng qt chương trình 3.1 MƠ HÌNH MƠ PHỎNG 15 Hình 3.1 – Hệ thống điện mặt trời nối lưới Chương 3: Mô hệ thống Matlab/Simulink 16 Chương 3: Mơ hệ thống Matlab/Simulink Hình 3.2 – Khối Solar