Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu một số phương pháp nâng cao hiệu quả khai thác nguồn pin mặt trời

Chia sẻ: Trần Văn Yan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:183

Thêm vào BST

Báo xấu

55
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài tập trung nghiên cứu hoàn thiện mô hình toán học cho PVg, xây dựng giải pháp giúp xác định chính xác thông số tại MPP, qua đó thiết lập các biện pháp điều khiển khai thác tối đa công suất của PVg trong mọi điều kiện vận hành thực tế, có xét tới sự thay đổi ngẫu nhiên của (G, T).

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu một số phương pháp nâng cao hiệu quả khai thác nguồn pin mặt trời

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN LÊ TIÊN PHONG NGHIÊN CỨU MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ KHAI THÁC NGUỒN PIN MẶT TRỜI LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT THÁI NGUYÊN – NĂM 2017
B0 crAo DUCvA DAorAo , DAI HOC THAI NGTryEN a a lf, rrtN PHoNG NGHrfll.IcuU Mgr s6 Pnrloxc PSAP nAnc cAo HrSuquAKIrArrnAc xcuox PrNh,tlTTRor Chuy0nnginh: Ki thu$t Aidumi6n vi Tg tlQngh6a Mn s6 z 62.52.02.16 LUaNANilnN SiKv rHUaT NGTIOTHUof{c DANKHoA HQC: Nguy6n 1.PGS.TS. VIn Li6n |W 2.PGS.TS.NgdDftcMinh N THAI NCUTSN-NAM zlfi
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng bản luận án này là thành quả nghiên cứu của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn – Viện Điện, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, PGS.TS. Ngô Đức Minh – Khoa Điện, trường Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp, Đại học Thái Nguyên và tập thể các nhà khoa học khoa Điện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên. Kết quả nghiên cứu của luận án là trung thực và chưa được công bố trên bất cứ một công trình nào khác. Thái Nguyên, ngày tháng năm 2017 Tác giả luận án Lê Tiên Phong
-ii- LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến hai thầy hướng dẫn khoa học trực tiếp, PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn và PGS.TS. Ngô Đức Minh đã trực tiếp hướng dẫn, định hướng khoa học trong quá trình nghiên cứu. Tôi cũng xin được gửi lời cảm ơn chân thành và kính trọng đến tập thể các nhà khoa học khoa Điện, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên, các bạn bè đồng nghiệp đã đóng góp những ý kiến quý báu về chuyên môn trong suốt thời gian thực hiện luận án. Tác giả luận án xin trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng Đào tạo, Ban chủ nhiệm khoa Điện, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện thuận lợi nhất cho nghiên cứu sinh trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Cuối cùng, tôi cũng muốn nói lời cảm ơn sâu sắc đến bố mẹ, anh chị, vợ và các con đã luôn bên tôi, hết lòng quan tâm, sẻ chia, ủng hộ, động viên tinh thần, tạo điều kiện giúp tôi có nghị lực vượt qua những giai đoạn khó khăn nhất, vất vả nhất để hoàn thành luận án này. Tác giả luận án Lê Tiên Phong
-iii- MỤC LỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT .......................................................................................................... vii KÝ HIỆU .............................................................................................................................. ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ............................................................................................. xii DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................................. xv MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1 ........................................................................................................................... 5 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .............................................................................. 5 1.1 Khái quát về nguồn pin mặt trời ................................................................................... 5 1.2 Cấu trúc chung của hệ thống khai thác nguồn pin mặt trời .......................................... 6 1.3 Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước về pin mặt trời ............................... 7 1.3.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới ......................................................................... 7 1.3.2 Tình hình nghiên cứu trong nước ......................................................................... 11 1.4 Một số vấn đề còn tồn tại và đề xuất hướng giải quyết .............................................. 12 1.4.1 Một số vấn đề còn tồn tại ..................................................................................... 12 1.4.2 Tiếp cận vấn đề .................................................................................................... 15 1.4.3 Đề xuất hướng giải quyết ..................................................................................... 16 1.5 Kết luận chương 1 ...................................................................................................... 17 CHƯƠNG 2 ......................................................................................................................... 19 MÔ HÌNH HÓA ĐẦY ĐỦ VÀ NHẬN DẠNG CHÍNH XÁC ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CHO NGUỒN PIN MẶT TRỜI .................................................................................. 19 2.1 Mô hình toán học của nguồn pin mặt trời .................................................................. 19 2.2 Xây dựng giải pháp nhận dạng các thông số ẩn cho nguồn pin mặt trời ở điều kiện vận hành tiêu chuẩn .......................................................................................................... 23 2.2.1 Nêu vấn đề............................................................................................................ 23 2.2.2 Thiết lập các phương trình tại các điểm đặc biệt ở điều kiện tiêu chuẩn ............. 24 2.2.3 Phương pháp xác định các thông số ẩn ................................................................ 26 2.2.4 Xây dựng thuật toán xác định các thông số ẩn..................................................... 27
-iv- 2.2.5 Áp dụng xác định thông số ẩn cho một số loại pin quang điện ........................... 29 2.3 Giải pháp mới nhận dạng chính xác điểm công suất cực đại cho nguồn pin mặt trời 31 2.3.1 Nội dung giải pháp đề xuất .................................................................................. 31 2.3.2 Đánh giá tính chính xác của giải pháp đề xuất..................................................... 34 2.4 Mô hình hóa đầy đủ cho nguồn pin mặt trời .............................................................. 35 2.4.1 Quy đổi giá trị các thông số từ điều kiện vận hành tiêu chuẩn về điều kiện vận hành bất kỳ .................................................................................................................... 35 2.4.2 Xây dựng mới hàm số n(T) .................................................................................. 38 2.4.3 Mô hình hóa đầy đủ cho nguồn pin mặt trời ........................................................ 43 2.5 Kết luận chương 2 ...................................................................................................... 44 CHƯƠNG 3 ......................................................................................................................... 45 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NGUỒN PIN MẶT TRỜI THEO MÔ HÌNH ĐẦY ĐỦ ........................................................................................................................................ 45 3.1 Cấu trúc điều khiển hệ thống ...................................................................................... 45 3.2 Cơ sở lý thuyết điều khiển và mô tả toán học các bộ biến đổi ................................... 47 3.2.1 Cơ sở lý thuyết điều khiển ................................................................................... 47 3.2.1.1 Kỹ thuật điều khiển trượt trong các bộ biến đổi DC/DC ............................... 47 3.2.1.2 Kỹ thuật điều khiển điện áp trung bình.......................................................... 50 3.2.2 Mô tả toán học bộ biến đổi DC/DC buck............................................................. 51 3.2.2.1 Bộ biến đổi DC/DC buck ............................................................................... 51 3.2.2.2 Bộ biến đổi DC/DC boost .............................................................................. 52 3.3 Điều khiển khai thác điểm công suất cực đại của nguồn pin mặt trời theo mô hình đầy đủ ở điều kiện vận hành bất kỳ .................................................................................. 54 3.3.1 Phương pháp IB-SMC .......................................................................................... 54 3.3.1.1 Nguyên lý chung của phương pháp IB-SMC ................................................ 54 3.3.1.2 Phương pháp IB-SMC cho BBĐ DC/DC buck ............................................. 55 3.3.1.3 Phương pháp IB-SMC cho BBĐ DC/DC boost ............................................ 58 3.3.1.4 Chiến lược điều khiển BBĐ DC/DC theo phương pháp IB-SMC ................. 60
-v- 3.3.1.5 Mô phỏng đánh giá phương pháp IB-SMC ................................................... 62 3.3.2 Phương pháp IB-AVC .......................................................................................... 69 3.3.2.1 Nguyên lý chung của phương pháp IB-AVC ................................................ 69 3.3.2.2 Phương pháp IB-AVC cho BBĐ DC/DC buck ............................................. 71 3.3.2.3 Phương pháp IB-AVC cho BBĐ DC/DC boost ............................................ 73 3.3.2.4 Chiến lược điều khiển BBĐ DC/DC theo phương pháp IB-AVC ................. 75 3.3.2.5 Kết quả mô phỏng phương pháp IB-AVC ..................................................... 77 3.3.3 So sánh hiệu quả năng lượng và khả năng ứng dụng ........................................... 81 3.4 Điều khiển ghép nối lưới cho nguồn pin mặt trời ...................................................... 86 3.4.1 Cấu trúc điều khiển ghép nối lưới ........................................................................ 86 3.4.2 Mô phỏng hệ thống điều khiển ghép nối lưới cho nguồn pin mặt trời ................. 87 3.5 Kết luận chương 3 ...................................................................................................... 97 CHƯƠNG 4 ......................................................................................................................... 99 KIỂM CHỨNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TRÊN MÔ HÌNH THIẾT BỊ THỰC ............ 99 4.1 Xây dựng mô hình cấu trúc thiết bị thực .................................................................... 99 4.2 Các thiết bị chính ...................................................................................................... 101 4.2.1 Cảm biến đo công suất của bức xạ mặt trời ....................................................... 101 4.2.2 Cảm biến đo nhiệt độ ......................................................................................... 102 4.2.3 Ắc quy ................................................................................................................ 102 4.2.4 Sơ đồ đấu nối mạch lực và điều khiển ............................................................... 102 4.2.5 Lắp đặt các thiết bị và cài đặt ............................................................................. 105 4.3 Phương thức vận hành mô hình thiết bị thực ........................................................... 106 4.4 Kết quả thực nghiệm................................................................................................. 109 4.4.1 Kiểm chứng tính chính xác của giải pháp đã đề xuất ........................................ 109 4.4.2 Đánh giá hiệu quả năng lượng của giải pháp đã đề xuất .................................... 110 4.5 Kết luận chương 4 .................................................................................................... 115 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................................... 117
-vi- DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ĐÃ CÔNG BỐ ...................................................................................................................................... 119 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 120 PHỤ LỤC .......................................................................................................................... 132
-vii- KÝ HIỆU VIẾT TẮT Ký hiệu Cụm từ được viết tắt trong tiếng Việt Cụm từ được viết tắt từ tiếng Anh tương đương tương đương AC Dòng điện xoay chiều Alternative Current AI Trí thông minh nhân tạo Artificial Intelligence ANN Mạng nơron nhân tạo Artificial Neural Network AVC Điều khiển điện áp trung bình Average Voltage Control BBĐ Bộ biến đổi điện tử công suất Power Converter CS Tín hiệu điều khiển Control Signal CV Điện áp không đổi Constant Voltage DC Dòng điện một chiều Direct Current DCbus Thanh cái điện áp một chiều ESC Điều khiển dò tìm cực trị Extremum seeking control FL Logic mờ Fuzzy Logic IB Kỹ thuật dò và chia đôi Iterative and Bisectional technique IB-AVC Phương pháp dò và chia đôi - Điều Iterative and Bisectional - Average khiển điện áp trung bình Voltage Control method IB-SMC Phương pháp dò và chia đôi - Điều Iterative and Bisectional - Sliding khiển trượt Mode Control method INC Điện dẫn gia tăng Incermental Conductance MBA Máy biến áp Transformer MPP Điểm công suất cực đại Maximum Power Point MPPT Bộ bám điểm công suất cực đại Maximum Power Point Tracking OG Độ dốc tối ưu Optimal Gradient OV Điện áp hở mạch Open-Circuit Voltage P&O Dao động và quan sát Perturb and Observe PSO Tối ưu bầy đàn Particle Swarm Optimization PVg Nguồn pin mặt trời, hệ thống pin mặt Photovoltaic power generation, trời, cell/module/panel/array pin mặt Photovoltaic system, trời, pin mặt trời Photovoltaic module/panel/array, solar cell/module/panel/array. PYR Cảm biến đo công suất của bức xạ mặt Pyranometer
-viii- trời SC Dòng điện ngắn mạch Short-Circuit Current SMC Điều khiển trượt Sliding Mode Control STC Điều kiện vận hành tiêu chuẩn Standard Test Condition SW Khóa chuyển mạch Switch TempS Cảm biến đo nhiệt độ Temperature sensor THD Tổng độ méo sóng hài Total Harmonic Distorsion
-ix- KÝ HIỆU Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa C F Điện dung CTI %/0C hoặc mA/0C Hệ số thay đổi của dòng điện theo nhiệt độ CTP %/0C Hệ số thay đổi của Pmpp theo nhiệt độ CTV %/0C hoặc mV/0C Hệ số thay đổi của điện áp theo nhiệt độ D, d Hệ số điều chế độ rộng xung trung bình hoặc tức thời fS kHz Tần số phát xung G W/m2 Công suất của bức xạ mặt trời g 1/Ω Điện dẫn tải của PVg I01, I0 A Dòng quang điện bão hòa Id1, Id A Dòng điện chạy qua diode của PVg ig A Dòng điện các pha tức thời tại điểm liên kết với lưới Ig A Biên độ dòng điện các pha tại điểm liên kết với lưới IL, iL A Dòng điện trung bình hoặc tức thời qua cuộn cảm BBĐ Impp A Dòng điện tại MPP Ip1, Ip A Dòng điện chạy qua điện trở song song của PVg Iph1, Iph A Dòng quang điện phát ra của PVg ipv1, ipv, A Dòng điện tức thời hoặc trung bình phát ra từ PVg Ipv ISC1, ISC A Dòng điện ngắn mạch của PVg k eV/K Hằng số Boltzmann Ka W/A Đánh giá độ trượt của công suất theo dòng điện và có ảnh hưởng đến dải trễ của đường đặc tính công suất Kb Đặc trưng cho dải trễ của điện áp phát ra từ PVg, Kc V/A Đánh giá độ trượt của điện áp theo dòng điện kVmppDC Hệ số tương quan về dòng điện tại MPP so với ISC
-x- kVmppOV Hệ số tương quan về điện áp tại MPP so với VOC L H Điện cảm n Hệ số đặc trưng của diode Np Số lượng đơn vị ghép song song của PVg NS Số lượng đơn vị ghép nối tiếp của PVg Pdc kW Công suất trên DCbus Pinv kW Công suất tác dụng ở phía AC của BBĐ DC/AC Pmpp W, kW Công suất tại MPP q C Điện tích của electron Qinv kVA Công suất phản kháng ở phía AC của BBĐ DC/AC Rdc, R Ω Điện trở cuộn cảm phía DCbus và điện trở phía AC của BBĐ DC/AC Req Ω Điện trở tương đương của PVg Rp1, Rp Ω Điện trở song song của PVg RS1, RS Ω Điện trở nối tiếp của PVg T 0 C hoặc 0K Nhiệt độ lớp tiếp giáp p-n Tamb 0 C hoặc 0K Nhiệt độ môi trường Ti s Hằng số thời gian của khâu lọc tín hiệu đo dòng điện TS s Chu kỳ phát xung Tv s Hằng số thời gian của khâu lọc tín hiệu đo điện áp Ug V Biên độ điện áp pha của lưới điện ug V Điện áp pha tức thời tại điểm liên kết với lưới điện Ug V Biên độ điện áp tại điểm liên kết với lưới điện uinv V Điện áp pha tức thời ở đầu ra BBĐ DC/AC ueq, Tín hiệu điều khiển tương đương ueqref Vdc, vdc V Điện áp trung bình hoặc tức thời trên DCbus
-xi- Veq V Điện áp tương đương của PVg Vmpp1, V Điện áp tại MPP Vmpp VOC1, V Điện áp hở mạch của PVg VOC Vpv1, V Điện áp tức thời hoặc trung bình phát ra từ PVg vpv, Vpv Vt1, Vt V Điện áp nhiệt lớp tiếp giáp p-n
-xii- DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1. 1 Phương pháp tổ hợp PVg ....................................................................................... 6 Hình 1. 2 Cấu trúc chung của hệ thống khai thác PVg .......................................................... 6 Hình 1. 3 Phân loại kỹ thuật tìm MPP ................................................................................. 14 Hình 2. 1 Sơ đồ mạch tương đương mỗi cell của PVg ........................................................ 19 Hình 2. 2 Đường đặc tính vpv-ipv và vpv-ppv trên mặt phẳng v-i, v-p ................................... 20 Hình 2. 3 Đường đặc tính vpv-ipv của tổ hợp NS cell nối tiếp hoặc Np cell song song ......... 22 Hình 2. 4 Độ dốc đường tiếp tuyến tại điểm ngắn mạch của đường đặc tính vpv-ipv ........... 24 Hình 2. 5 Phương pháp Newton-Raphson .......................................................................... 26 Hình 2. 6 Thuật toán Newton-Raphson xác định thông số ẩn của PVg .............................. 29 Hình 2. 7 Thuật toán xác định cặp giá trị tương ứng giữa vpv(i) với ipv(i) ............................. 32 Hình 2. 8 Trạng thái dịch chuyển của các điểm kế tiếp nhau .............................................. 32 Hình 2. 9 Quá trình dò tìm MPP trên đường đặc tính vpv-ppv .............................................. 33 Hình 2. 10 Thuật toán IB tìm MPP ...................................................................................... 34 Hình 2. 11 Thuật toán kiểm tra hệ phương trình mô tả PVg ............................................... 36 Hình 2. 12 Đường cong mô tả các số liệu rời rạc ................................................................ 38 Hình 2. 13 Đường cong mô tả hàm số n(T) ứng với MF165EB3 và SV-55 ....................... 40 Hình 2. 14 Đồ thị VOC, ISC, Pmpp tính toán được của MF165EB3........................................ 41 Hình 2. 15 Đồ thị VOC, ISC, Pmpp tính toán được của SV-55 ................................................ 41 Hình 2. 16 Đường đặc tính vpv-ipv, vpv-ppv tương ứng với MF165EB3 ............................... 42 Hình 2. 17 Đường đặc tính vpv-ipv, vpv-ppv tương ứng với SV-55 ........................................ 42 Hình 2. 18 Mô hình hóa đầy đủ PVg ................................................................................... 43 Hình 3. 1 Sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ thống khai thác PVg theo mô hình đầy đủ ............ 45 Hình 3.2 Quá trình di chuyển của các điểm vận hành khi sử dụng phương pháp IB-AVC 47 Hình 3. 3 Sơ đồ cấu tạo mạch lực BBĐ DC/DC buck ......................................................... 51 Hình 3.4 Sơ đồ mạch tương đương trạng thái đóng cắt BBĐ DC/DC buck ....................... 51 Hình 3.5 Sơ đồ mạch tương đương ở trạng thái tín hiệu nhỏ BBĐ DC/DC buck ............... 52 Hình 3. 6 Sơ đồ cấu tạo mạch lực BBĐ DC/DC boost ........................................................ 53 Hình 3.7 Sơ đồ mạch tương đương trạng thái đóng cắt BBĐ DC/DC boost ...................... 53 Hình 3.8 Sơ đồ mạch tương đương ở trạng thái tín hiệu nhỏ BBĐ DC/DC boost .............. 53 Hình 3. 9 Cấu trúc điều khiển PVg theo phương pháp IB-SMC ......................................... 55 Hình 3.10 Dạng quỹ đạo trượt về MPP mới khi điều khiển theo phương pháp IB-SMC ... 61 Hình 3.11 Chiến lược điều khiển theo phương pháp IB-SMC cho BBĐ DC/DC ............... 62
-xiii- Hình 3. 12 Kịch bản biến thiên của G.................................................................................. 63 Hình 3. 13 Sơ đồ mô phỏng trên Matlab/Simulink điều khiển BBĐ DC/DC buck theo phương pháp IB-SMC.......................................................................................................... 65 Hình 3. 14 Sơ đồ mô phỏng trên Matlab/Simulink điều khiển BBĐ DC/DC boost theo phương pháp IB-SMC.......................................................................................................... 66 Hình 3. 15 Sơ đồ mô phỏng trên Matlab/Simulink khối PVg và bộ điều khiển IB-SMC ... 67 Hình 3. 16 Đặc tính ppv, Pmpp, A(t) khi điều khiển BBĐ DC/DC theo phương pháp IB-SMC ............................................................................................................................................. 68 Hình 3. 17 Mạch vòng điều khiển PVg theo phương pháp IB-AVC ................................... 69 Hình 3.18 Cấu trúc mạch vòng dòng điện và mạch vòng điện áp điều khiển BBĐ DC/DC ............................................................................................................................................. 70 Hình 3. 19 Mô hình Thevenin mạch điện tương đương của PVg ........................................ 72 Hình 3.20 Chiến lược điều khiển theo phương pháp IB-AVC cho BBĐ DC/DC ............... 77 Hình 3. 21 Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển IB-AVC ........................................................... 77 Hình 3. 22 Sơ đồ mô phỏng trên Matlab/Simulink điều khiển BBĐ DC/DC buck theo phương pháp IB-AVC .......................................................................................................... 78 Hình 3. 23 Sơ đồ mô phỏng trên Matlab/Simulink điều khiển BBĐ DC/DC boost theo phương pháp IB-AVC .......................................................................................................... 79 Hình 3. 24 Đặc tính ppv, Pmpp, A(t) khi điều khiển BBĐ DC/DC theo phương pháp IB-AVC ............................................................................................................................................. 80 Hình 3. 25 Đồ thị hiệu quả năng lượng khi sử dụng BBĐ DC/DC buck và G=1000 W/m282 Hình 3. 26 Đồ thị hiệu quả năng lượng khi sử dụng BBĐ DC/DC buck và G=600 W/m2 . 82 Hình 3. 27 Đồ thị hiệu quả năng lượng khi sử dụng BBĐ DC/DC buck và G=200 W/m2 . 83 Hình 3. 28 Đồ thị hiệu quả năng lượng khi sử dụng BBĐ DC/DC boost và G=1000 W/m2 ............................................................................................................................................. 83 Hình 3. 29 Đồ thị hiệu quả năng lượng khi sử dụng BBĐ DC/DC boost và G=600 W/m2 84 Hình 3. 30 Đồ thị hiệu quả năng lượng khi sử dụng BBĐ DC/DC boost và G=200 W/m2 84 Hình 3. 31 Cấu trúc điều khiển phía lưới............................................................................. 87 Hình 3.32 Cấu trúc ghép nối PVg từ các panel MF165EB3 ................................................ 88 Hình 3.33 Đặc tính vpv-ipv và vpv-ppv của cấu trúc PVg ghép .............................................. 89 Hình 3.34 Cấu trúc mô phỏng toàn hệ thống trên Matlab/Simulink.................................... 91 Hình 3.35 Đặc tính ppv(t), Pmpp(t), A(t) của PVg cấu trúc ghép ........................................... 92 Hình 3.36 Đặc tính vpv(t), Vmpp(t) của PVg cấu trúc ghép ................................................... 92 Hình 3.37 Đặc tính ipv(t), Impp(t) của PVg cấu trúc ghép ..................................................... 93
-xiv- Hình 3.38 Đặc tính ppv(t) và công suất phát vào lưới .......................................................... 94 Hình 3. 39 Dòng điện iinv và điện áp uinv ở đầu ra BBĐ DC/AC thời điểm 1s .................... 95 Hình 3. 40 Dòng điện iinv và điện áp uinv ở đầu ra BBĐ DC/AC thời điểm 2s .................... 95 Hình 3. 41 Phổ tần số và hàm lượng sóng hài của iinv ......................................................... 96 Hình 3. 42 Phổ tần số và hàm lượng sóng hài của uinv ........................................................ 96 Hình 4. 1 Mô hình thiết bị thực của hệ thống 1 ................................................................. 100 Hình 4. 2 Mô hình thiết bị thực của hệ thống 2 ................................................................. 100 Hình 4. 3 Cảm biến PYR-BTA đo công suất của bức xạ mặt trời ..................................... 101 Hình 4. 4 Cảm biến LM35 đo nhiệt độ .............................................................................. 102 Hình 4. 5 Cấu trúc mạch lực và mạch điều khiển thực nghiệm ......................................... 104 Hình 4. 6 Các thiết bị trên mô hình thực ........................................................................... 105 Hình 4. 7 Thuật toán điều khiển của hệ thống 1 ................................................................ 106 Hình 4. 8 Thuật toán điều khiển/quản lý năng lượng của hệ thống 2 ................................ 107 Hình 4. 9 Chương trình giám sát/điều khiển trên máy tính ............................................... 107 Hình 4. 10 Phương thức vận hành mô hình thiết bị thực ................................................... 108 Hình 4. 11 Kiểm chứng tính chính xác của các điểm mới trong luận án ........................... 109 Hình 4. 12 Đồ thị G, T, Pmpp, ppv khi so sánh kỹ thuật IB với kỹ thuật P&O .................... 111 Hình 4. 13 Đồ thị G, T, Pmpp, ppv khi so sánh kỹ thuật IB với kỹ thuật CV....................... 113 Hình 4. 14 Đồ thị G, T, Pmpp, ppv khi so sánh kỹ thuật IB với kỹ thuật Temp ................... 114
-xv- DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Datasheet của PVg ở STC ................................................................................... 30 Bảng 2. 2 Kết quả tính toán thông số ẩn của PVg ở STC .................................................... 30 Bảng 2. 3 Kết quả xác định thông số tại MPP sử dụng kỹ thuật IB .................................... 35 Bảng 2. 4 Kiểm tra giá trị của Pmpp khi G thay đổi, T=Tstc .................................................. 37 Bảng 2. 5 Kiểm tra giá trị của Pmpp khi T thay đổi, G=Gstc ................................................. 37 Bảng 2. 6 Kiểm tra lại ảnh hưởng của T khi G=Gstc, T biến thiên tới Pmpp ......................... 40 Bảng 3. 1 Giá trị các thông số mô phỏng của cấu trúc PVg ghép ....................................... 88 Bảng 4. 1 So sánh hiệu quả năng lượng của kỹ thuật IB với kỹ thuật P&O ...................... 112 Bảng 4. 2 So sánh hiệu quả năng lượng của kỹ thuật IB với kỹ thuật CV ........................ 112 Bảng 4. 3 So sánh hiệu quả năng lượng của kỹ thuật IB với kỹ thuật Temp.................... 114
1 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài Trong bối cảnh các nguồn năng lượng truyền thống như nhiệt điện, thủy điện,... ngày càng cạn kiệt và gây ô nhiễm môi trường, động lực sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo như mặt trời, gió đang ngày càng trở nên mạnh mẽ. Tỷ trọng các loại nguồn này đang tăng lên theo cấp số nhân qua các năm, nhận được sự quan tâm của chính phủ các quốc gia trên toàn thế giới, các nhà khoa học ở tất cả lĩnh vực liên quan. Nguồn pin mặt trời (PVg) với ưu thế không gây tiếng ồn, có thể lắp đặt ở mọi nơi kể cả trong khu dân cư đã giúp cho quá trình phổ biến loại nguồn này trong hệ thống điện nhanh hơn so với các nguồn khác. Trong đó, vấn đề khai thác tối đa khả năng phát công suất nhờ các biện pháp tìm điểm công suất cực đại (MPP) và các kỹ thuật điều khiển bộ biến đổi (BBĐ) hoặc các loại BBĐ khác nhau trong hệ thống khai thác PVg là mục tiêu trọng tâm trong các nghiên cứu cả trong nước và trên thế giới của các nhà điều khiển học. Hiện nay, đã có rất nhiều các nghiên cứu về tìm MPP. Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu nào giải quyết một cách trọn vẹn vấn đề khai thác tối đa công suất ở điều kiện vận hành bất kỳ dựa trên mô hình đầy đủ của PVg, qua đó chưa đánh giá được hiệu quả năng lượng thực sự đầy đủ, chính xác trong quá trình khai thác PVg. Nguyên nhân của điều này là trước đây các thiết bị đo công suất của bức xạ mặt trời (G), nhiệt độ T của lớp tiếp giáp p-n chưa thực sự phổ biến, chưa phù hợp với mỗi chủng loại PVg, giá thành cao. Đặc biệt, mô hình toán học của PVg phục vụ cho quá trình mô hình hóa, mô phỏng, thực nghiệm cũng chưa nhận được sự quan tâm và giải quyết triệt để. Bởi vậy tác giả chọn đề tài nghiên cứu "Nghiên cứu một số phương pháp nâng cao hiệu quả khai thác nguồn pin mặt trời " nhằm hoàn thiện các vấn đề còn đang bỏ ngỏ hoặc chưa quan tâm đầy đủ như đã kể trên.
-2- Mục đích nghiên cứu Đề tài tập trung nghiên cứu hoàn thiện mô hình toán học cho PVg, xây dựng giải pháp giúp xác định chính xác thông số tại MPP, qua đó thiết lập các biện pháp điều khiển khai thác tối đa công suất của PVg trong mọi điều kiện vận hành thực tế, có xét tới sự thay đổi ngẫu nhiên của (G, T). Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Cấu trúc hệ thống khai thác PVg được làm từ chất bán dẫn cấu trúc tinh thể trong mạng điện phân tán công suất vừa và nhỏ. - Phạm vi nghiên cứu: các cell của PVg là đồng nhất và làm việc trong điều kiện giống nhau. Trọng tâm nghiên cứu của luận án - Nghiên cứu áp dụng phương pháp Newton-Raphson xác định các thông số ẩn cho PVg. - Đề xuất áp dụng kỹ thuật IB (dò và chia đôi) xác định thông số tại MPP và mối quan hệ giữa hệ số đặc trưng của n với nhiệt độ T của lớp tiếp giáp p-n. - Kết hợp kỹ thuật IB trong bộ bám điểm công suất cực đại (MPPT) với kỹ thuật điều khiển trượt (SMC) hoặc kỹ thuật điều khiển điện áp trung bình (AVC) để điều khiển BBĐ DC/DC buck và BBĐ DC/DC boost nhằm đạt được mục tiêu bám đuổi được MPP ở mọi thời điểm, qua đó nâng cao hiệu quả khai thác năng lượng từ PVg. - Hoàn thiện cấu trúc ghép nối lưới cho PVg, thực hiện việc điều khiển khai thác tối đa công suất thu được từ PVg. - Xây dựng cấu trúc mô phỏng hệ thống bằng Matlab để kiểm chứng các kết quả nghiên cứu lý thuyết, đồng thời kết hợp cho cài đặt điều khiển trên mô hình thiết bị thực. Phương pháp nghiên cứu - Phân tích hệ thống và xác định đặc thù của đối tượng nghiên cứu thông qua nhiều cách tiếp cận.
-3- - Lựa chọn và xây dựng những công cụ tính toán toán học cần thiết cho nghiên cứu. - Lựa chọn công cụ đánh giá và kiểm chứng kết quả nghiên cứu, cụ thể là: Mô hình hóa mô phỏng bằng phần mềm Matlab và cài đặt thử nghiệm thuật toán điều khiển trên mô hình thiết bị thực. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Ý nghĩa khoa học chính của đề tài là hoàn thiện được mô hình toán học cho cấu trúc PVg bất kỳ, xây dựng và giải quyết được bài toán xác định chính xác thông số tại MPP ở điều kiện vận hành thực tế, qua đó thiết lập các biện pháp điều khiển giúp khai thác hoàn toàn công suất ở mọi điều kiện vận hành với các giá trị bất kỳ của (G, T). - Ý nghĩa thực tiễn chính là xây dựng mô hình toán đầy đủ của PVg bổ sung cho các tài liệu, sách, đồng thời làm cơ sở cho các nghiên cứu chuyên sâu về lĩnh vực điều khiển khai thác loại nguồn này. Hơn nữa, đề tài cũng đem lại những kinh nghiệm cài đặt và điều khiển đối với hệ thống khai thác PVg nói riêng và các dạng nguồn phân tán sử dụng năng lượng tái tạo khác nói chung. Cấu trúc luận án Luận án được bố cục thành 4 chương. Chương 1: Giới thiệu tổng quan về vấn đề nghiên cứu thông qua cách tiếp cận khoa học dựa trên nguồn tài liệu cập nhật là các công bố khoa học trên thế giới liên quan đến hướng nghiên cứu của đề tài. Phân tích và xác định những vấn đề cần nghiên cứu cho đề tài. Chương 2: Trình bày những nghiên cứu chính về PVg. - Xây dựng mô hình đầy đủ cho PVg, bổ sung những thông số mới chưa được nói tới trong các nghiên cứu trước đây. - Xây dựng thuật toán mới xác định chính xác MPP đối với mô hình PVg đầy đủ.