(Luận văn thạc sĩ) thiết kế bộ nghịch lưu hòa năng lượng mặt trời lên lưới điện quốc gia

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TẠ QUANG MINH THIẾT KẾ BỘ NGHỊCH LƯU HÒA NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI LÊN LƯỚI ĐIỆN QUỐC GIA NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250 S K C0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 11/2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TẠ QUANG MINH THIẾT KẾ BỘ NGHỊCH LƯU HÒA NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI LÊN LƯỚI ĐIỆN QUỐC GIA NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250 Tp Hồ Chí Minh, tháng 11/2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TẠ QUANG MINH THIẾT KẾ BỘ NGHỊCH LƯU HÒA NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI LÊN LƯỚI ĐIỆN QUỐC GIA NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250 Hướng dẫn khoa học: TS TRƯƠNG VIỆT ANH Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2012 Luận văn tốt nghiệp Lý lịch khoa học LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC Họ tên: Tạ Quang Minh Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 15/10/1988 Nơi sinh: Bến Tre Quê qn: xã Bình Hịa, huyện Giồng Trơm, tỉnh Bến Tre Dân tộc: Kinh Địa liên lạc: xã Bình Hịa, huyện Giồng Trôm, tỉnh Bến Tre Điện thoại: 0975120903 E-mail: tqminh58@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO Đại học: Hệ đào tạo: Chính qui Thời gian đào tạo từ: 2006 đến năm 2010 Nơi học (trường, thành phố): Đại học Cần Thơ, Thành phố Cần Thơ Ngành học: Kỹ thuật điện Tên luận văn tốt nghiệp: Khảo sát cải tạo lưới điện trung 22kV huyện Giồng Trôm tỉnh Bến Tre Thời gian & nơi bảo vệ luận văn tốt nghiệp: 4/2010 Đại học Cần Thơ Người hướng dẫn: Ths Đỗ Nguyễn Duy Phương III Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 07/2010 – 08/2010 Cao đẳng Nghề Cần Thơ Giáo viên GVHD: TS Trương Việt Anh Trang i HVTH: Tạ Quang Minh Luận văn tốt nghiệp Lời cam đoan LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 24 tháng 09 năm 2012 Người cam đoan Tạ Quang Minh GVHD: TS Trương Việt Anh Trang ii HVTH: Tạ Quang Minh Luận văn tốt nghiệp Lời cảm ơn LỜI CẢM ƠN Trước hết, em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc em gửi đến Tiến Sĩ Trương Việt Anh, người Thầy tận tụy hướng dẫn em suốt trình nghiên cứu để hoàn thành luận văn Chân thành cảm ơn q thầy Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Trường Đại Học Bách khoa TP.HCM giảng dạy em suốt hai năm học Và cuối cùng, xin cảm ơn đến tất anh chị, bạn bè giúp đỡ tinh thần, vật chất cơng sức suốt q trình học tập để hoàn thành luận văn Xin trân trọng cảm ơn Tp Hồ Chí Minh, ngày 24 tháng 09 năm 2012 Tạ Quang Minh GVHD: TS Trương Việt Anh Trang iii HVTH: Tạ Quang Minh Luận văn tốt nghiệp Mục lục MỤC LỤC Trang Trang tựa Quyết định giao đề tài Xác nhận cán hướng dẫn Lý lịch khoa học i Lời cam đoan .ii Lời cảm ơn iii Tóm tắt iv Mục lục vi Danh sách chữ viết tắt viii Danh sách bảng ix Danh sách hình x Tài liệu tham khảo xiii Chương Tổng quan đề tài 01 1.1 Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu, kết nghiên cứu ngồi nước cơng bố 01 1.2 Mục đích đề tài 04 1.3 Nhiệm vụ đề tài giới hạn đề tài 04 1.4 Phương pháp nghiên cứu 04 1.5 Điểm luận văn 05 1.6 Giá trị thực tiễn luận văn 05 1.7 Bố cục luận văn 05 Chương Phương pháp tiếp cận 06 2.1 Mô hình pin mặt trời 06 2.2 Bộ chuyển đổi DC/DC boots converter 10 2.3 Điểm làm việc cực đại pin mặt trời 13 2.4 Các phương pháp tìm điểm cực đại pin mặt trời 17 2.4.1 Phương pháp điện áp số 17 GVHD: TS Trương Việt Anh Trang vi HVTH: Tạ Quang Minh Luận văn tốt nghiệp Mục lục 2.4.2 Phương pháp P&O (Perturb and Observe) 18 2.4.3 Phương pháp InC (Incremental Conductance) 19 2.4.4 Nhược điểm phương pháp P&O InC 21 2.5 Xây dựng mơ hình pin mặt trời Matlab/Simulink 22 Chương Phương án đề xuất 27 3.1 Phương pháp Voltage Oriented Control 27 3.1.1 Chuyển tọa độ (a, b, c) sang (d, q) ngược lại 30 3.1.2 Các thành phần nghịch lưu theo phương pháp VOC 32 3.1.2.a Khối hệ thống 32 3.1.2.b Vịng khóa pha PLL 33 3.1.2.c Bộ điều khiển dòng 34 3.1.3 Ưu nhược điểm phương pháp VOC 36 3.2 Thông số điều khiển 36 3.2.1 Kỹ thuật điều khiển PID 36 3.2.2 Dãy thuật bầy đàn Particle Swarm Optimization 39 Chương Kết mô 43 4.1 Sơ đồ mơ hình Matlab/Simulink 43 4.2 Kết mô 44 4.2.1 Khi Id* = (A), Iq*= (A) 44 4.2.2 Khi Id* = 10 (A), Iq*= (A) 46 4.2.3 Khi Id* = 12 (A), Iq*= (A) 48 4.2.4 Khi Id* = 14 (A), Iq*= (A) 50 4.3 Nhận xét 53 Chương Kết luận đề xuất 54 5.1 Kết luận 54 5.2 Hạn chế hướng phát triển đề tài 54 5.2.1 Hạn chế 54 5.2.2 Hướng phát triển đề tài 54 GVHD: TS Trương Việt Anh Trang vii HVTH: Tạ Quang Minh Luận văn tốt nghiệp Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT [1] Viện khí tượng thủy văn: http://www.imh.ac.vn/ [2] First Solar Việt Nam – dự án cơng nghệ cao đầu năm 2011, http://www.hepza.hochiminhcity.gov.vn [3] Đặng Đình Thống, “Cơ sở lượng tái tạo”, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2006 [4] www.wikipedia.org TIẾNG NƯỚC NGOÀI [5] Syafrudin Masri, Pui-Weng Chan “Development of a microcontroller – based boost converter for photovoltaic system”, ISSN 1450-216X Vol.41 No.1 (2010) [6] Ahmed A A Hafez „Simple maximum power point contronller for single – phase grid connected PV system‟ Cairo University, Egypt, December 19-21, 2010, paper ID 123 [7] VINÍCIUS S LACERDA, PEDRO G BARBOSA E HENRIQUE A C BRAGA NAEP, Nỳcleo de Automaỗóo e Eletrụnica de Potờncia, Universidade Federal de Juiz de Fora, Brasil Caixa Postal 422, 36001-970, Juiz de Fora, MG – Brasil „A Single-Phase Single-Stage, High Power Factor Grid-Connected PV System, with Maximum Power Point Tracking’ [8] Marcio Mendes Casaro*, Denizar Cruz Martins Power Electronics Institute, Federal University of Santa Catarina „Grid-Connected PV System: Introduction to Behavior Matching’ [9] A.P.S Ramalakshmi „Comparision of solar panel power under varying load and irradiance conditions’ GVHD: TS Trương Việt Anh Trang xiii HVTH: Tạ Quang Minh Luận văn tốt nghiệp [10] Tài liệu tham khảo Jing Li , Fang Zhuo , Xianwei Wang , Lin Wang , Song Ni „A Grid- Connected PV System with Power Quality Improvement Based on Boost + DualLevel Four-Leg Inverter’ [11] Samatcha Phuttapatimok, Anawach Sangswang, Member, IEEE, and Krissanapong Kirtikara ‟ Effects on Short Circuit Level of PV Grid-Connected Systems under Unintentional Islanding’ [12] Fei Wang, Chengcheng Zhang, Zengqiang Mi ‟ Anti-islanding Detection and Protection for Grid connected PV System Using Instantaneous Power Theory’ [13] Fei Wang, Zengqiang Mi „Passive Islanding Detection Method for Grid Connected PV System’ 2009 International Conference on Industrial and Information Systems [14] M.B Bana Sharifian ‘Single-Stage grid connected photovoltaic system with Reactive power control and adaptive predictive current controller’ Journal of applied sciences (8): 1593-1509, 2009 [15] N Hamrouni and A.Cherif „Modelling and control of a grid connected photovoltaic system‟ Revue des Energies Renouvelables Vol 10 No3 September 2007) [16] Roberto F Coelho, Filipe M Concer, Denizar C Martins ‘A MPPT Approach Based on Temperature Measurements Applied in PV Systems’ Electrical Engineering Departament, Power Electronics Institute, Federal University of Santa Catarina, P.O 5119 - Florianópolis, SC 88040-970, Brazil [17] Vocational School of Technical Studies, Marmara University, Kadıkoy, 34722 Istanbul, Turkey ‘Recent Developments in MaximumPower Point Tracking Technologies for Photovoltaic Systems’ [18] Ibrahim, H E.-S A and Houssiny, F F., “Microcomputer Controlled Buck Regulator for Maximum Power Point Tracker for DC Pumping System Operates from Photovoltaic System,” Proceedings of the IEEE International Fuzzy Systems Conference, August 22-25,Vol 1, pp 406-411 (1999) GVHD: TS Trương Việt Anh Trang xiv HVTH: Tạ Quang Minh Luận văn tốt nghiệp Chương 4: Kết mơ H4.4a H4.4b Hình 4.4: Dịng điện ngõ cường độ xạ 0.2 kW/m2 H4.4a: Dịng điện cơng suất điểm cực đại, H4.4b vượt qua điểm cơng suất cực đại Phân tích THD dòng điện ngõ nghịch lưu: GVHD: TS Trương Việt Anh Trang 45 HVTH: Tạ Quang Minh Luận văn tốt nghiệp Chương 4: Kết mô Hình 4.5: Tín hiệu THD dịng điện ngõ cường độ xạ 0.2 kW/m2 4.1.2 Khi cường độ xạ Isolation = 0.4 kW/m2 Công suất tác dụng ngõ nghịch lưu (W): Hình 4.6: Cơng suất tác dụng ngõ cường độ xạ 0.4 kW/m2 Công suất phản kháng ngõ nghịch lưu (VAr): GVHD: TS Trương Việt Anh Trang 46 HVTH: Tạ Quang Minh Luận văn tốt nghiệp Chương 4: Kết mơ Hình 4.7: Cơng suất phản kháng ngõ cường độ xạ 0.4 kW/m2 Điện áp ngõ nghịch lưu (V): Hình 4.8: Điện áp ngõ cường độ xạ 0.4 kW/m2 Dòng điện ngõ nghịch lưu (V): GVHD: TS Trương Việt Anh Trang 47 HVTH: Tạ Quang Minh Luận văn tốt nghiệp Chương 4: Kết mô Hình 4.9: Dịng điện ngõ cường độ xạ 0.4 kW/m2 Phân tích THD dịng điện ngõ nghịch lưu: Hình 4.10: Tín hiệu THD dòng điện ngõ cường độ xạ 0.4 kW/m2 4.1.3 Khi cường độ xạ Isolation = 0.6 kW/m2 Công suất tác dụng ngõ nghịch lưu (W): GVHD: TS Trương Việt Anh Trang 48 HVTH: Tạ Quang Minh Luận văn tốt nghiệp Chương 4: Kết mơ Hình 4.11: Cơng suất tác dụng ngõ cường độ xạ 0.6 kW/m2 Công suất phản kháng ngõ nghịch lưu (VAr): Hình 4.12: Công suất phản kháng ngõ cường độ xạ 0.6 kW/m2 Điện áp ngõ nghịch lưu (V): GVHD: TS Trương Việt Anh Trang 49 HVTH: Tạ Quang Minh Luận văn tốt nghiệp Chương 4: Kết mơ Hình 4.13: Điện áp ngõ cường độ xạ 0.6 kW/m2 Dòng điện ngõ nghịch lưu (V): Hình 4.14: Dịng điện ngõ cường độ xạ 0.6 kW/m2 Phân tích THD dịng điện ngõ nghịch lưu: GVHD: TS Trương Việt Anh Trang 50 HVTH: Tạ Quang Minh Luận văn tốt nghiệp Chương 4: Kết mô Hình 4.15: Tín hiệu THD dịng điện ngõ cường độ xạ 0.6 kW/m2 4.1.4 Khi cường độ xạ Isolation = 0.8 kW/m2 Công suất tác dụng ngõ nghịch lưu (W): Hình 4.16: Công suất tác dụng ngõ cường độ xạ 0.8 kW/m2 Công suất phản kháng ngõ nghịch lưu (VAr): GVHD: TS Trương Việt Anh Trang 51 HVTH: Tạ Quang Minh Luận văn tốt nghiệp Chương 4: Kết mơ Hình 4.17: Cơng suất phản kháng ngõ cường độ xạ 0.8 kW/m2 Điện áp ngõ nghịch lưu (V): Hình 4.18: Điện áp ngõ cường độ xạ 0.8 kW/m2 Dòng điện ngõ nghịch lưu (V): GVHD: TS Trương Việt Anh Trang 52 HVTH: Tạ Quang Minh Luận văn tốt nghiệp Chương 4: Kết mơ Hình 4.19: Dịng điện ngõ cường độ xạ 0.8 kW/m2 Phân tích THD dịng điện ngõ nghịch lưu: Hình 4.20: Tín hiệu THD dòng điện ngõ cường độ xạ 0.8 kW/m2 4.1.5 Khi cường độ xạ Isolation = kW/m2 Công suất tác dụng ngõ nghịch lưu (W): GVHD: TS Trương Việt Anh Trang 53 HVTH: Tạ Quang Minh Luận văn tốt nghiệp Chương 4: Kết mơ Hình 4.21: Cơng suất tác dụng ngõ cường độ xạ kW/m2 Công suất phản kháng ngõ nghịch lưu (VAr): Hình 4.22: Cơng suất phản kháng ngõ cường độ xạ kW/m2 Điện áp ngõ nghịch lưu (V): GVHD: TS Trương Việt Anh Trang 54 HVTH: Tạ Quang Minh Luận văn tốt nghiệp Chương 4: Kết mơ Hình 4.23: Điện áp ngõ cường độ xạ kW/m2 Dòng điện ngõ nghịch lưu (V): Hình 4.24: Dịng điện ngõ cường độ xạ kW/m2 Phân tích THD dịng điện ngõ nghịch lưu: GVHD: TS Trương Việt Anh Trang 55 HVTH: Tạ Quang Minh Luận văn tốt nghiệp Chương 4: Kết mơ Hình 4.25: Tín hiệu THD dịng điện ngõ cường độ xạ kW/m2 Bức xạ (kW/m2) Imax (A) 0.2 1.7 0.4 Pmax Q (VAr) V (volt) Ir (A) THD (%) 750 315 1.583 17.02 3.4 1550 315 3.36 8.27 0.6 5.1 2350 315 5.094 5.42 0.8 6.8 3200 315 6.917 4.14 1.0 8.4 4000 315 8.387 2.85 (W) Bảng 4.1: Tổng hợp thông số nghịch lưu xạ thay đổi Imax tìm cách tăng dần Id* đến công suất tác dụng giảm, công suất tác dụng vị trí Pmax Ir dịng tần số 50 Hz, THD giá trị độ méo dạng dòng từ nghịch lưu bơm vào lưới 4.3 Nhận xét Với cường độ xạ khác ta tìm cơng xuất cực đại tương ứng với điều kiện GVHD: TS Trương Việt Anh Trang 56 HVTH: Tạ Quang Minh Luận văn tốt nghiệp Chương 4: Kết mô Kết mô cho ta biết điểm công suất cưc đại ứng với điều kiện cường độ xạ thay đổi Khi dịng điện vượt qua dịng cực đại lượng công suất phản kháng bơm vào lưới đột ngột tăng, lý tượng điện áp làm việc pin tăng cao điểm điện áp VMPP hình 2.4 Nhược điểm mơ hình chưa thể vận hành liên tục lấy công suất cực đại điều kiện môi trường thay đổi GVHD: TS Trương Việt Anh Trang 57 HVTH: Tạ Quang Minh Luận văn tốt nghiệp Chương 5: Kết luận đề xuất Chương KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 5.1 Kết luận Xuất phát từ vấn đề cạn kiệt nguồn tài nguyên, môi trường ngày ô nhiễm Vấn đề lượng ngày cấp thiết, từ tiến công nghệ pin quang điện phương pháp lấy cơng suất cực đại biện pháp hòa lưới lượng mặt trời mở tiềm cho thị trường lượng mặt trời Kết thực mơ hình Matlab/Simulink cho ta thấy việc công suất tác dụng cực đại giảm thiểu phát cơng suất phản kháng Dạng sóng dịng điện nhiễu Về yếu tố kinh tế, mạch công suất đơn giản làm chi phí đầu tư thấp; đồng thời độ tin cậy cao 5.2 Hạn chế hướng phát triển đề tài 5.2.1 Hạn chế Mơ hình chưa thể đáp ứng thay đổi nhanh chóng điều kiện môi trường 5.2.2 Hướng phát triển đề tài  Phát triển mơ hình đáp ứng nhanh với thay đổi điều kiện mơi trường  Tính tốn tính ổn định hệ thống điều chỉnh lấy công suất cực đại  Thiết kế phần mềm gần thực tế Proteus  Thi công mạch nghịch lưu ứng giải thuật sở kết mô phần mềm Matlab phần thiết kế Proteus GVHD: TS Trương Việt Anh Trang 58 HVTH: Tạ Quang Minh S K L 0 ...BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TẠ QUANG MINH THIẾT KẾ BỘ NGHỊCH LƯU HÒA NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI LÊN LƯỚI ĐIỆN QUỐC GIA NGÀNH: THIẾT... lượng xạ mặt trời thành điện nhờ hiệu ứng quang điện gọi pin mặt trời Mạch điện tương đương pin mặt trời cho hình 2.1 Hình 2.1 Mạch điện tương đương pin mặt trời Mạch điện gồm có dịng quang điện. .. vecto điện áp nghịch lưu khung tham chiếu điện áp lưới ugu  usd  jusq : vecto điện áp lưới khung tham chiếu điện áp lưới isu  id  jiq : vecto dòng điện nghịch lưu khung tham chiếu điện áp lưới