Điều khiển nối lưới cho nguồn điện mặt trời kết hợp với nguồn pin nhiên liệu

Journal of Science – 2015, Vol. 8 (4), 32 – 40<br /> <br /> Part D: Natural Sciences, Technology and Environment<br /> <br /> ĐIỀU KHIỂN NỐI LƯỚI CHO NGUỒN ĐIỆN MẶT TRỜI<br /> KẾT HỢP VỚI NGUỒN PIN NHIÊN LIỆU<br /> Lê Kim Anh1, Huỳnh Dương Khánh Linh2<br /> ThS. Trường Cao Đẳng Công nghiệp Tuy Hòa<br /> ThS. Trường Cao Đẳng Công nghiệp Tuy Hòa<br /> <br /> 1<br /> 2<br /> <br /> Thông tin chung:<br /> Ngày nhận bài: 05/05/14<br /> Ngày nhận kết quả bình duyệt:<br /> 18/08/14<br /> Ngày chấp nhận đăng: 12/15<br /> Title:<br /> Grid-connected control system for<br /> solar cell combined with fuel cell<br /> Từ khóa:<br /> Năng lượng tái tạo, pin mặt<br /> trời, pin nhiên liệu, mặt trời nối<br /> lưới kết hợp với pin nhiên liệu<br /> Keywords:<br /> Renewable, solar cells, fuel<br /> cells，grid-connected solar<br /> cell- fuel cells<br /> <br /> ABSTRACT<br /> The research of using and exploiting effectively solar and fuel cell sources to<br /> generate electricity is meaningful to reduce the climate change and dependance<br /> on fossil energy sources which are at risk of both being exhausted and causing<br /> environmental pollution. Modern technology has been using solar cells and the<br /> system must operate around maximum power point (MPP) to ensure that solar<br /> cells are always at maximum capacity. The advantage of the combination of solar<br /> cells and fuel cells in grid connection is active fuel inputs.The article gives the<br /> result of modulating grid-connected control system applying for solar cells<br /> combined with fuel cells using the algorithm of Maximum Power Point Tracking<br /> (MPPT) to maintain maximum capacity of the systems with disregard of<br /> connected power loads.<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Nghiên cứu sử dụng và khai thác hiệu quả nguồn năng lượng mặt trời và nguồn<br /> pin nhiên liệu để phát điện có ý nghĩa thiết thực đến việc giảm biến đổi khí hậu<br /> cũng như giảm sự phụ thuộc vào các nguồn nhiên liệu hóa thạch có nguy cơ cạn<br /> kiệt, gây ô nhiễm môi trường. Công nghệ hiện nay đang sử dụng các tế bào quang<br /> điện (solar cells), để đảm bảo các tế bào quang điện luôn hoạt động ở công suất<br /> tối đa, hệ thống phải vận hành quanh điểm cực đại MPP. Việc kết hợp nguồn<br /> điện mặt trời với nguồn pin nhiên liệu nối lưới, ưu điểm của hệ thống là sự chủ<br /> động nguồn nhiên liệu đầu vào. Bài báo đã đưa ra được kết quả mô phỏng điều<br /> khiển nối lưới cho nguồn điện mặt trời kết hợp với nguồn pin nhiên liệu sử dụng<br /> phương pháp giải thuật hệ bám điểm công suất cực đại (Maximum Point Power<br /> Tracking – MPPT) nhằm duy trì công suất phát tối đa của hệ thống bất chấp tải<br /> nối với hệ thống.<br /> <br /> gây ô nhiễm môi trường, đồng thời tiềm năng về<br /> trữ lượng năng lượng mặt trời cũng như pin nhiên<br /> liệu ở nước ta rất lớn. Tuy nhiên, để khai thác, sử<br /> dụng nguồn năng lượng mặt trời và nguồn pin<br /> nhiên liệu này sao cho hiệu quả nhằm thay thế dần<br /> các nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng cạn<br /> kiệt, gây ô nhiễm môi trường, đặc biệt là khí (CO2)<br /> <br /> 1. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> Ngày nay cùng với sự phát mạnh mẽ của thế giới,<br /> nhu cầu sử dụng năng lượng của con người ngày<br /> càng tăng. Nguồn năng lượng tái tạo nói chung,<br /> nguồn năng lượng mặt trời và nguồn pin nhiên liệu<br /> nói riêng là dạng nguồn năng lượng sạch, không<br /> <br /> 32<br /> <br /> Journal of Science – 2015, Vol. 8 (4), 32 – 40<br /> <br /> Part D: Natural Sciences, Technology and Environment<br /> <br /> đang là mục tiêu nghiên cứu của nhiều quốc gia.<br /> Hệ thống điều khiển nối lưới cho nguồn điện mặt<br /> trời kết hợp với nguồn pin nhiên liệu nhằm hướng<br /> đến phát triển lưới điện thông minh và điều khiển<br /> linh hoạt các nguồn năng lượng tái tạo.<br /> <br /> Hệ thống nối lưới cho nguồn điện mặt trời kết hợp<br /> với nguồn pin nhiên liệu bao gồm các thành phần cơ<br /> bản, như Hình 1. Với điện áp đầu ra của pin mặt trời<br /> và pin nhiên liệu là điện áp một chiều (DC) qua bộ<br /> nghịch lưu đưa ra điện áp xoay chiều (AC) nối lưới.<br /> <br /> 2. MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN NỐI LƯỚI CHO<br /> NGUỒN ĐIỆN MẶT TRỜI KẾT HỢP VỚI<br /> NGUỒN PIN NHIÊN LIỆU<br /> <br /> Pin<br /> mặt trời (PV)<br /> <br /> Bộ chuyển đổi DC/DC<br /> <br /> Bus DC<br /> <br /> Tải DC<br /> Mặt trời<br /> H2_<br /> flow<br /> <br /> Nghịch lưu<br /> DC/AC<br /> <br /> Pin<br /> nhiên<br /> liệu<br /> <br /> Tích trữ khí<br /> <br /> Máy<br /> biến áp<br /> <br /> Lưới điện<br /> <br /> Tải AC<br /> Quá trình<br /> điện phân<br /> <br /> Hình 1. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển nối lưới cho nguồn điện mặt trời kết hợp với pin nhiên liệu<br /> <br /> 2.1 Mô hình pin mặt trời (PV)<br /> Dòng điện đầu ra của pin theo Satpathy (2012); Soetedjo và cs. (2012); Lê Kim Anh và cs. (2012) được<br /> tính như sau:<br /> <br />   q(V  IRs    V  IRs<br />   1  <br /> I  I ph  I s exp <br /> <br /> <br /> <br />   KTc A    Rsh<br /> Trong đó: q: điện tích electron = 1.6 x10-19 C, k:<br /> hằng số Boltzmann’s = 1.38 x10-23J/K, Is: là dòng<br /> điện bão hòa của pin, Iph: là dòng quang điện, Tc:<br /> nhiệt độ làm việc của pin, Rsh : điện trở shunt, Rs :<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> (1)<br /> <br /> điện trở của pin, A: hệ số lý tưởng. Theo biểu thức<br /> (1) dòng quang điện phụ thuộc vào năng lượng mặt<br /> trời và nhiệt độ làm việc của pin do đó:<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> I ph  I sc  K I (Tc  Tref ) .H<br /> 33<br /> <br /> (2)<br /> <br /> Journal of Science – 2015, Vol. 8 (4), 32 – 40<br /> <br /> Part D: Natural Sciences, Technology and Environment<br /> <br /> với: Isc: là dòng ngắn mạch ở nhiệt độ 25 0C, KI: hệ<br /> số nhiệt độ của dòng điện ngắn mạch, Tref: nhiệt độ<br /> của bề mặt pin (nhiệt độ tham chiếu), H: bức xạ của<br /> mặt trời kW/m2.<br /> <br /> I s  I RS (<br /> <br /> Ở đây giá trị dòng điện bão hòa của pin với nhiệt<br /> độ của pin được tính như sau:<br /> <br />  qEG (Tc  Tref <br /> Tc 3<br /> ) exp <br /> <br /> Tref<br />  Tref Tc kA <br /> <br /> <br /> <br /> Trong đó: IRS: là dòng bão hòa ngược ở bề mặt<br /> nhiệt độ và bức xạ của mặt trời, EG: năng lượng<br /> vùng cấp của chất bán dẫn, phụ thuộc vào hệ số lý<br /> trưởng và công nghệ làm pin. Mặt khác một pin<br /> <br /> (3)<br /> <br /> mặt trời có điện áp khoảng 0,6 V, do đó muốn có<br /> điện áp làm việc cao thì ta mắc nối tiếp các pin,<br /> muốn có dòng điện lớn thì mắc song song, như<br /> Hình 2.<br /> <br /> Ns<br /> <br /> NsRs/Rsh<br /> +<br /> <br /> NpIph<br /> <br /> NsRs/Rsh<br /> Np<br /> <br /> V<br /> -<br /> <br /> Hình 2. Dòng điện 1 modul tấm pin<br /> <br /> Vậy dòng điện một modul tấm pin sẽ là:<br /> <br />   V IRs<br />  q N  N<br /> s<br /> p<br /> I  N p I ph  N p I s exp <br />  kT A<br /> <br /> c<br />  <br />  <br /> <br />    N pV<br /> <br />   <br />  IRs <br />   1   N s<br /> <br />   <br /> <br /> Rsh<br />   <br /> <br /> <br />   <br /> <br /> (4)<br /> <br /> Từ các biểu thức (1), (2), (3), (4) đã phân tích ở trên, mô hình pin mặt trời được xây dựng trên Matlab/Simulink<br /> với các ngõ vào là dòng điện, nhiệt độ. Ngõ ra là công suất và điện áp của pin, như Hình 3.<br /> <br /> Hình 3. Mô hình pin mặt trời<br /> <br /> 34<br /> <br /> Journal of Science – 2015, Vol. 8 (4), 32 – 40<br /> <br /> Part D: Natural Sciences, Technology and Environment<br /> <br /> * Phương pháp điều khiển bám điểm công suất cực<br /> đại (Maximum Point Power Tracking – MPPT):<br /> hiện nay có nhiều kỹ thuật để điều khiển pin mặt<br /> trời bám điểm công suất cực đại. Những kỹ thuật<br /> này có thể phân thành 2 nhóm chính sau: kỹ thuật<br /> tìm kiếm và kỹ thuật tìm kiếm dựa trên mô hình. Ở<br /> kỹ thuật tìm kiếm dễ thực hiện nhưng đòi hỏi một<br /> <br /> số bước lớn mới hội tụ được điểm cực đại MPP<br /> trong khi đó sẽ hội tụ rất nhanh điểm MPP với kỹ<br /> thuật tìm kiếm dựa trên mô hình. Kỹ thuật này đòi<br /> hỏi phải biết chính xác thông số của pin mặt trời và<br /> các số đo cả nhiệt độ và bức xạ mặt trời, như Hình<br /> 4.<br /> <br /> Hình 4. Điều khiển bám điểm công suất cực đại<br /> <br /> cs. (2009); Lê Kim Anh (2012) mô hình pin nhiên<br /> liệu màng trao đổi proton – PEMFC (Proton<br /> Exchange Membrane Fuel Cell) được tính như<br /> sau:<br /> <br /> 2.2 Mô hình pin nhiên liêu<br /> Dựa vào mối quan hệ giữa điện áp đầu ra và áp suất<br /> riêng phần của hydro, oxy và nước theo Hashem và<br /> <br /> qH 2<br /> pH 2<br /> <br /> <br /> <br /> qH 2 O<br /> và<br /> Trong đó:<br /> (kmol/s);<br /> <br /> qH 2<br /> <br /> pH 2<br /> <br /> pH 2 O<br /> <br /> <br /> <br /> K an<br />  KH2<br /> M H2<br /> <br /> (5)<br /> <br /> K an<br />  K H 2O<br /> M H 2O<br /> <br /> (6)<br /> <br /> Đối với dòng chảy hydro phân tử, có ba yếu tố quan<br /> trọng: dòng chảy đầu vào hydro, dòng chảy đầu ra<br /> hydro và dòng chảy hydro trong phản ứng. Mối<br /> quan hệ giữa các yếu tố này có thể được biểu diễn<br /> như sau:<br /> <br /> : dòng chảy đầu vào của hydro<br /> <br /> : áp suất riêng phần của hydro (atm);<br /> <br /> Kan: hằng số van anốt<br /> <br />  kmol.kg /atm.s;<br /> <br /> M H2<br /> <br /> : khối lượng phân tử hydro (kg/kmol);<br /> : hằng số phân tử van hydro [kmol/(atm.s)].<br /> <br /> KH2<br /> <br /> <br /> <br /> d<br /> RT<br /> in<br /> out<br /> r<br /> pH 2 <br /> q H 2  qH 2  q H 2<br /> dt<br /> Van<br /> Trong đó:<br /> <br /> : dòng chảy đầu vào hydro (kmol/s);<br /> r<br /> qH 2 <br /> <br /> out<br /> qH 2<br /> <br /> (7)<br /> <br /> dòng chảy đầu ra hydro (kmol/s);<br /> <br /> T: nhiệt độ tuyệt đối (K); Van: thể tích anốt (m3);<br /> in<br /> qH 2<br /> <br /> <br /> r<br /> qH 2<br /> <br /> : dòng chảy<br /> <br /> hydro trong phản ứng (kmol/s). Biểu thức (7)<br /> được tính như sau:<br /> <br /> :<br /> <br /> N 0 N s I FC<br />  2 K r I FC<br /> 2F<br /> 35<br /> <br /> (8)<br /> <br /> r<br /> qH 2<br /> <br /> Journal of Science – 2015, Vol. 8 (4), 32 – 40<br /> <br /> Part D: Natural Sciences, Technology and Environment<br /> <br /> Với: N0: số lượng của pin nhiên liệu trong ngăn<br /> xếp; NS: số ngăn xếp được sử dụng trong nhà máy<br /> điện; IFC: dòng điện pin nhiên liệu (A); Kr: hằng số<br /> <br /> pH 2 <br /> <br /> Với:<br /> <br /> H<br /> <br /> 1<br /> K H2<br /> <br /> 1   H2<br /> <br /> q<br /> S<br /> <br /> mô hình [kmol/(s.A)]; F: hằng số Faraday<br /> (C/kmol). Từ biểu thức (5), (8) ta biến đổi Laplace,<br /> áp suất hydro được viết lại như sau:<br /> <br /> in<br /> H2<br /> <br />  2 K r I FC<br /> <br /> (9)<br /> <br /> H <br /> 2<br /> <br /> 2<br /> <br /> : hằng số thời gian của hydro (s) và<br /> <br /> Điện áp của hệ thống pin nhiên liệu được tính như<br /> sau:<br /> Vcell=E+ηact+ηohmic (11) ở đây:<br /> <br /> ohmic   Rint I FC (13)<br /> <br /> Trong đó: Rint: nội trở của pin nhiên liệu (Ω); B,<br /> C: hằng số để mô phỏng quá điện áp kích hoạt trong<br /> <br /> <br />  pH P<br /> RT<br /> O2<br /> E  N o  Eo <br /> log  2<br /> 2F<br /> <br />  PH 2 O<br /> <br /> <br /> <br /> (10)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> <br /> (14)<br /> <br /> của nước (atm). Hệ thống pin nhiên liệu tiêu thụ<br /> lượng khí hydro theo nhu cầu của phụ tải điện, theo<br /> El-Sharkh và cs. (2004) lượng khí hydro có sẵn từ<br /> thùng chứa hydro được tính như sau:<br /> <br /> Trong đó:<br /> E0: điện áp chuẩn khi không tải (V); PO2: áp suất<br /> riêng phần của oxy (atm); PH2O: áp suất riêng phần<br /> <br /> req<br /> qH 2 <br /> <br /> Van<br /> K H 2 RT<br /> <br /> hệ thống PEMFC (A-1) và (V); E: điện áp tức thời<br /> (V); ηact : quá điện áp kích hoạt (V); ηohmic : quá áp<br /> nội trở (V); Vcell: điện áp đầu ra của hệ thống pin<br /> nhiên liệu (V). Theo HalukGorg (2006); Lê Kim<br /> Anh và cs. (2013) điện áp tức thời được xác định<br /> như sau:<br /> <br /> act   B ln(CI FC ) (12);<br /> và<br /> <br /> <br /> <br /> N 0 N s I FC<br /> 2 FU<br /> <br /> (15)<br /> <br /> Trong đó:<br /> <br /> vào cấu hình hệ thống pin nhiên liệu, dòng chảy<br /> của khí hydro và oxy. Dựa vào các biểu thức đã phân<br /> tích ở mô hình pin nhiên liệu được xây dựng trên<br /> Matlab/Simulink, như Hình 5.<br /> <br /> req<br /> qH 2<br /> <br /> :số lượng khí hydro cần thiết để đáp ứng sự<br /> thay đổi tải (kmol/s); U: hệ số sử dụng, tùy thuộc<br /> <br /> 36<br /> <br />