Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu và phát triển hệ thống năng lượng điện mặt trời

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:142

Thêm vào BST

Báo xấu

113
lượt xem 29
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án nghiên cứu lý thuyết về hệ thống năng lượng điện mặt trời, nghiên cứu các thuật toán để giải quyết các bài toán tối ưu công suất trong các hệ thống điện mặt trời từ đó đưa ra các thuật toán mới để phát triển hệthống theo hướng tối ưu hơn, tiến hành mô phỏng hệthống năng lượng điện mặt trời trên phần mềm Matlab, sau cùng là thực hiện thiết kế một hệ thống thực nối lưới.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu và phát triển hệ thống năng lượng điện mặt trời

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HỒ CHÍ MINH NHỮ KHẢI HOÀN NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA TP. HỒ CHÍ MINH - 2019 A
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HỒ CHÍ MINH NHỮ KHẢI HOÀN NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA MÃ SỐ: 9520216 Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. ĐỒNG VĂN HƯỚNG 2. TS. PHẠM CÔNG THÀNH TP. HỒ CHÍ MINH – 2019 B
Tóm tắt Năng lượng mặt trời là một trong những nguồn năng lượng quan trọng nhất của con người. So với các nguồn năng lượng khác như thủy điện, phong điện, nhiệt điện, điện hạt nhân… năng lượng mặt trời có đặc điểm không ô nhiễm về môi trường, độ an toàn cao, nguồn năng lượng vô tận, có thể phân bố mọi nơi trong mọi dải công suất. Hệ thống năng lượng điện mặt trời là một thống lớn nên có rất nhiều vấn đề cần được cải tiến và phát triển cho hệ thống, trong khuôn khổ của luận án tác giả tập trung nghiên cứu phát triển các thuật toán tìm điểm điểm công suất cực đại cho các bộ điều khiển công suất cực đại (MPPT) để hệ thống làm việc đạt hiệu suất cao hơn và ổn định hơn, đồng thời tác giả cũng thiết kế chế tạo thực nghiệm một hệ thống năng lượng điện mặt trời nối lưới theo hướng phát triển của các bộ biến đổi công suất DC/DC và DC/AC. Thuật toán MPPT thực sự rất cần thiết để giúp hệ thống phát được công suất lớn nhất góp phần làm tăng hiệu suất của hệ thống và giảm giá thành sản phẩm. Chính vì vậy MPPT trở thành một trong những chức năng quan trọng mà hệ thống năng lượng điện mặt cần phải có. Đã có rất nhiều thuật toán MPPT đã được nghiên cứu và ứng dụng, trong luận án này tác giả nghiên cứu thuật toán độ dẫn gia tăng (INC) và đề xuất các cải tiến cho thuật toán này, đồng thời tác giả cũng nghiên cứu thuật toán tối ưu bày đàn (PSO) áp dụng cho bộ điều khiển MPPT và đề xuất các thuật toán phát triển của thuật toán PSO như: thuật toán tối ưu bày đàn vi phân (DPSO), thuật toán tối ưu bày đàn nhiễu loạn (PPSO) và áp dụng chúng trong bộ điều khiển MPPT để cải thiện hiệu quả hoạt động của hệ thống năng lượng điện mặt trời. Kỹ thuật điều khiển MPPT dựa trên các thuật toán phát triển đã được thử nghiệm thành công trên mô hình hệ thống. Kết quả mô phỏng cho thấy năng lượng đầu ra của hệ thống áp dụng các thuật toán đề xuất đều là trên 99%. Hơn nữa, những kết quả này được so sánh với kết quả thu được từ các bộ MPPT áp dụng thuật toán truyền thống, để chứng minh khả năng loại bỏ được các nhược điểm khi áp dụng thuật toán truyền thống cho các bộ điều khiển MPPT của hệ thống năng lượng điện mặt trời. Từ khóa: Phát triển hệ thống năng lượng điện mặt trời; cải tiến thuật toán INC; DPSO – MPPT; PPSO – MPPT. i
Abstract Solar energy is one of the most promising alternative energy. Due to low fuel cost, environmentally friendly and low-cost maintenance, solar energy demonstrates the superiority as compared to other energy sources, such as hydroelectricity, wind power, thermal power, nuclear power. Moreover, solar energy can be distributed everywhere with the widely operating range. Therefore, there are various researches in order to enhance the operating efficiency of solar energy system. However, in the framework of the dissertation, the author only focuses on developping intelligent algorithms to improve the performance of the maximum power point tracking (MPPT) controller. Furthermore, the author designed and manufactured an experimental system of a grid- connected solar power system according to the development of DC / DC and DC / AC power converters. The MPPT algorithm is really necessary to generate the maximum power in photovoltic (PV) systems in order to increase the efficiency of the system as well as reduce product costs. Therefore, a maximum power point tracking (MPPT) controller is normally integrated with PV power generation systems. Many MPPT algorithms have been studied; nevertheless, in this dissertation, the author firstly researches the increase conductivity algorithm (INC) and some of its improved algorithm. Next, a swarm intelligence based optimization technique, namely Particle Swarm Optimzation (PSO) is applied to enhance the performance of MPPT controller. After that, some of PSO variants, such as differential particle swarm optimization (DPSO), disturbance particle swarm optimization (PPSO) are proposed because of the purpose of improving the performance of PV. The MPPT controlling technique based on developed algorithms have been successfully tested on a system model. The simulation results show that the maximum power is all over 99%, demonstrates the effectiveness of the proposed methods. Moreover, the obtained results are compared to those obtained using traditional algorithms, shows the superiority of the proposed method. Keywords: Development a solar power system; proposes improvements INC; DPSO – MPPT; PPSO – MPPT. ii
LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS Đồng Văn Hướng và TS. Phạm Công Thành những người đã trực tiếp tận tình hướng dẫn để em hoàn thành luận án tiến sĩ này. Em xin cảm ơn quý thầy, cô trong trường Đại Học Giao Thông Vận Tải TP.HCM đã đem lại cho em thêm rất nhiều kiến thức bổ ích trong suốt quá trình học tập nghiên cứu ở đây. Con xin biết ơn gia đình đã có những lời động viên giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi về vật chất và tinh thần trong quá trình học tập và nghiên cứu làm luận án. Tôi xin cảm ơn các bạn bè và đồng nghiệp đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong công việc để tôi có thời gian nhiều hơn trong công việc học tập và nghiên cứu làm luận án. Trân trọng cảm ơn ! TP.HCM, ngày 12 tháng 12 năm 2019 Nhữ Khải Hoàn iii
LỜI CAM ĐOAN Tôi tên là Nhữ Khải Hoàn hiện đang là nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa của Trường Đại học Giao thông Vận tải Thành phố Hồ Chí Minh. Tôi xin cam đoan và hoàn toàn chịu trách nhiệm về lời cam đoan này:  Toàn bộ nội dung của luận án tiến sĩ “Nghiên cứu và phát triển hệ thống năng lượng điện mặt trời” là công trình nghiên cứu của chính tác giả thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Đồng Văn Hướng và TS. Phạm Công Thành.  Trong quá trình thực hiện luận án tôi có kế thừa kiến thức trong những tài liệu tham khảo trong và ngoài nước (phần tài liệu tham khảo). Việc tham khảo các nguồn tài liệu đều có trích dẫn rõ ràng theo quy định.  Các kết quả mô phỏng, thí nghiệm sử dụng để kết luận và đánh giá trong luận án hoàn toàn chân thực. Tác giả luận án Nhữ Khải Hoàn iv
MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ......................................................................................................... iii LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... iv MỤC LỤC .......................................................................................................... v DANH MỤC HÌNH MINH HỌA ........................................................................... viii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................... xii CHƯƠNG 1 .......................................................................................................... 1 GIỚI THIỆU .......................................................................................................... 1 1.1 Lý do chọn đề tài ............................................................................................. 1 1.2 Mục tiêu và nội dung thực hiện luận án .......................................................... 7 1.3 Đối tượng và phương pháp nghiên cứu ........................................................... 9 1.4 Điểm mới của luận án ................................................................................... 10 1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn …………………………...………………………8 1.6 Bố cục của luận án …………………………………..……………………………8 CHƯƠNG 2 ........................................................................................................ 12 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI ................... 12 ........................................................... 12 2.1 Tổng quan chung về hệ thống NLMT 2.1.1 Hệ thống năng lượng điện mặt trời nối lưới ........................................... 12 2.1.2 Hệ thống năng lượng điện mặt trời độc lập ............................................ 15 2.1.3 Một số hệ thống năng lượng điện mặt trời khác..................................... 16 2.2 Đường đặc tuyến của pin quang điện ............................................................ 17 2.2.1 Cấu trúc tế bào quang điện ..................................................................... 17 2.2.2 Tấm pin quang điện ................................................................................ 20 2.3.3 Mô hình hóa tế bào quang điện ............................................................... 20 2.3 Những yếu tố trọng tâm nghiên cứu phát triển trong hệ thống năng lượng điện mặt trời ........................................................................................................... 24 2.3.1 Điều khiển công suất cực đại .................................................................. 25 2.3.2 Giải pháp anti-islanding ......................................................................... 27 2.3.3 Bù công suất phản kháng ........................................................................ 29 2.3.4 Giảm sóng hài, nâng cao chất lượng điện áp.......................................... 29 v
2.4 Kết luận chương 2 ......................................................................................... 30 CHƯƠNG 3 ........................................................................................................ 31 NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN BỘ ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI................................................ 31 3.1 Các yếu tố ảnh hưởng tới MPP ..................................................................... 32 3.1.1 Ảnh hưởng của bức xạ............................................................................ 32 3.1.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ ......................................................................... 34 3.1.3 Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm ..................................................... 36 3.2 Tìm điểm công suất cực đại .......................................................................... 37 3.2.1 Phương pháp Hill – Climbing ................................................................. 38 3.2.2 Phương pháp điều khiển logic mờ (FLC) ............................................... 43 3.2.3 Phương pháp mạng nơron (NN) ............................................................. 45 3.2.4 Phương pháp phân đoạn điện áp hở mạch (VOC).................................. 46 3.2.5 Phương pháp phân đoạn dòng ngắn mạch (ISC) .................................... 47 3.2.6 Phương pháp điều khiển gợn sóng tương quan (RCC) .......................... 47 3.3 Nghiên cứu phát triển thuật toán độ dẫn gia tăng trong điều khiển bám điểm công suất cực đại ................................................................................. 48 3.3.1 Theo dõi MPP bằng thuật toán INC truyền thống .................................. 50 3.3.2 Phát triển thuật toán INC nhằm đạt MPP nhanh ..................................... 52 3.3.3 Phát triển thuật toán INC nhằm giảm dao động quanh MPP .................. 56 3.4 Nghiên cứu phát triển thuật toán tối ưu bầy đàn trong điều khiển bám điểm công suất cực đại ........................................................................................... 59 3.4.1 Thuật toán tối ưu bầy đàn (PSO) ............................................................ 59 3.4.2 Phát triển thuật toán tối ưu bầy đàn ........................................................ 73 3.5 Kết luận chương 3 ......................................................................................... 81 CHƯƠNG 4 ........................................................................................................ 82 MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG CÁC THUẬT TOÁN MPPT PHÁT TRIỂN CHO HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI ............... 82 4.1 Kết quả mô phỏng thuật toán INC các phát triển của thuật toán INC .......... 82 4.1.1 Sơ đồ mô phỏng ...................................................................................... 82 4.1.2 Kết quả mô phỏng .................................................................................. 83 4.2 Kết quả mô phỏng thuật toán PSO và các phát triển của thuật toán PSO..... 92 vi
4.2.1 Sơ đồ mô phỏng ...................................................................................... 92 4.2.2 Kết quả mô phỏng thuật toán MPPT-PSO .............................................. 93 4.2.3 Kết quả mô phỏng thuật toán MPPT-DPSO ........................................... 93 4.2.4 Kết quả mô phỏng thuật toán MPPT-PPSO............................................ 99 4.3 Kết luận chương 4 ....................................................................................... 104 Chương 5 ...................................................................................................... 105 THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI .............................................................................................. 105 5.1 Cấu trúc tổng thể của hệ thống thiết bị ....................................................... 105 5.1.1 Bộ biến đổi DC/DC .............................................................................. 106 5.1.2 Bộ biến đổi DC/AC .............................................................................. 107 5.1.3 Bộ điều khiển hệ thống ......................................................................... 109 5.1.4 Các Modul thu thập dữ liệu và hiển thị ................................................ 112 5.1.5 Sơ đồ chi tiết hệ thống .......................................................................... 113 5.2 Kết quả hệ thống thực nghiệm .................................................................... 115 5.3 Kết luận chương 5 ....................................................................................... 116 CHƯƠNG 6 ...................................................................................................... 117 KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN............................................ 117 6.1 Kết luận ........................................................................................................ 117 6.2 Phương hướng phát triển đề tài ................................................................... 118 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ...................................................... 119 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 120 vii
DANH MỤC HÌNH MINH HỌA Hình 1.1. Năng lượng điện mặt trời một số nước trên thế giới từ 2000 đến 2013 .........2 Hình 1.2. Giá của PV cell tại Mỹ từ 1977 đến 2015 ......................................................2 Hình 1.3. Nhà máy điện mặt trời Topaz Solar Farm (Hoa Kỳ) ......................................3 Hình 1.4. Hệ thống điện mặt trời tại Ninh Thuận ..........................................................5 Hình 2.1. Sơ đồ hệ thống PV đơn cấp ..........................................................................13 Hình 2.2. Hệ thống PV lưỡng cấp ................................................................................15 Hình 2.3. Sơ đồ khối hệ thống PV độc lập ...................................................................16 Hình 2.4. Sơ đồ khối hệ thống PV nối lưới có dự trữ .................................................16 Hình 2.5. Hệ thống PV độc lập không dự trữ ...............................................................16 Hình 2.6. Hệ thống PV độc lập hỗn hợp ......................................................................17 Hình 2.7. Cấu trúc chất bán dẫn thông thường .............................................................17 Hình 2.8. Cấu trúc chất bán dẫn trộn boron .................................................................18 Hình 2.9. Cấu trúc chất bán dẫn trộn phosphor ............................................................18 Hình 2.10. Kết hợp bán dẫn loại p và loại n .................................................................19 Hình 2.11. Cấu trúc tế bào quang điện .........................................................................19 Hình 2.12. Hình ảnh tế bào quang điện và các cách ghép nối......................................20 Hình 2.13. a) Tấm pin quang điện b) Hệ pin quang điện .........................................20 Hình 2.14. Điện tử di chuyển từ lớp n qua tải và trở về lớp p, nơi mà chúng kết hợp với lỗ trống, dòng điện chạy theo hướng ngược lại.......................................................20 Hình 2.15. Mạch tương đương của một tế bào quang điện ..........................................21 Hình 2.16. Sơ đồ đo ISC và VOC của pin quang điện ....................................................21 Hình 2.17. a) Đường đặc tuyến I – V b) Đường đặc tuyến P – V ………...………21 Hình 2.18. Đường đặc tuyến I – V của tế bào quang điện trường hợp có ánh sáng và không có ánh sáng ....................................................................................................23 Hình 2.19. Đường đặc tuyến I – V của tế bào quang điện trường hợp ảnh hưởng RS, RP và không bị ảnh hưởng .......................................................................................24 Hình 2.20. Sơ đồ điều khiển MPPT của PV .................................................................26 Hình 3.1. Đặc tuyến I – V, P – V và P – I với các mức bức xạ khác nhau .................33 Hình 3.2. Đặc tuyến I – V, P – V và P – I với các nhiệt độ khác nhau .....................35 Hình 3.3. Đặc tính I-V, P-V khi có bóng râm ..............................................................36 Hình 3.4. Đặc tuyến P – V của pin quang điện và thuật toán P&O .............................39 viii
Hình 3.5. Lưu đồ thuật toán P&O ................................................................................40 Hình 3.6. Đường đặc tuyến P – V của hệ PV và thuật toán INC .................................41 Hình 3.7. Sơ đồ thuật toán INC ....................................................................................42 Hình 3.8. Hàm thành viên.............................................................................................43 Hình 3.9. Mạng Neural cơ bản .....................................................................................45 Hình 3.10. Trường hợp bức xạ thay đổi .......................................................................49 Hình 3.11. Trường hợp nhiệt độ thay đổi .....................................................................50 Hình 3.12. Lưu đồ thuật toán INC với biến D cố định .................................................52 Hình 3.13. Đặc tuyến P-V và dP/(dV–dI) –V ………………………………………. 53 Hình 3.14. Đặc tuyến I-V và dP/(dV–dI) –V …………………………………………54 Hình 3.15. Lưu đồ thuật toán INC với kích thước bước nhảy thay đổi nhằm mục đích hội tụ nhanh .................................................................................................566 Hình 3.16. Lưu đồ thuật toán INC với kích thước bước nhảy thay đổi nhằm mục đích giảm dao động tại MPP .........................................................................................57 Hình 3.17. Sơ đồ thuật toán của PSO .........................................................................677 Hình 3.18. Cấu trúc mạng PSO ..................................................................................688 Hình 3.19. Sự thay đổi không gian tìm kiếm của PSO ..............................................733 Hình 3.20. Cơ chế tìm kiểm của DPSO trong không gian đa chiều ...........................755 Hình 3.21. Sơ đồ thuật toán của MPPT - DPSO ........................................................766 Hình 3.22. Cơ chế tìm kiếm của PPSO trong không gian đa chiều ...........................788 Hình 3.23. Lưu đồ thuật toán PPSO - MPPT .............................................................800 Hình 4.1. Sơ đồ mô phỏng thuật toán INC ...................................................................82 Hình 4.2. Đường đặc tính V – P của hệ pin quang điện ...............................................83 Hình 4.3. Đường đặc tính V – I của hệ pin quang điện ………………………………80 Hình 4.4. Công suất cực đại của hệ pin quang điện theo lý thuyết ..............................83 Hình 4.5. Đáp ứng đầu ra hệ thống PV với thuật toán INC truyền thống ....................85 Hình 4.6. So sánh các đáp ứng của thuật toán INC truyền thống và bước nhảy thay đổi ..........................................................................................................................87 Hình 4.7. Đáp ứng D của INC truyền thống và bước nhảy thay đổi lúc khởi động.....87 Hình 4.8. Đáp ứng P của INC truyền thống và bước nhảy thay đổi lúc khởi động .....87 ix
Hình 4.9. Đáp ứng P của INC truyền thống và bước nhảy thay đổi lúc bức xạ thay đổi từ 700W/m2 lên 900W/m2. ..............................................................................88 Hình 4.10. So sánh độ dao động P của INC truyền thống và bước nhảy tại MPP .......88 Hình 4.11. So sánh thuật toán INC truyền thống và giảm dao động tại MPP ..............90 Hình 4.12. Đồ thị D khi quá độ và tăng bức xạ ............................................................90 Hình 4.13. So sánh đáp ứng công suất của 3 thuật toán và lý thuyết ...........................92 Hình 4.14. Mô hình mô phỏng của hệ thống PV sử dụng giải thuật DPSO.................93 Hình 4.15. Đáp ứng đầu ra hệ thống PV với thuật toán PSO .......................................93 Hình 4.16. Đáp ứng của công suất đầu ra trong ba trường hợp: không sử dụng MPPT, sử dụng DPSO, P&O và InCond ...................................................................................96 Hình 4.17. So sánh đáp ứng công suất của thuật toán DPSO và PSO .........................97 Hình 4.18. Đáp ứng của công suất đầu ra P trong quá trình tăng năng lượng bức xạ..98 Hình 4.19. Đáp ứng của công suất đầu ra P trong quá trình giảm năng lượng bức xạ 98 Hình 4.20. Mô hình mô phỏng của hệ thống PV sử dụng giải thuật MPPT-PPSO ...100 Hình 4.21. Mô hình mô phỏng kết nối của bốn modul PV ........................................101 Hình 4.22. Kết quả mô phỏng với bộ điều khiển MPPT- PPSO ................................103 Hình 5.1. Sơ đồ tổng quan hệ thống PV .....................................................................105 Hình 5. 2.a. Sơ đồ mạch nguyên lý Interleaved Boost Converter ..............................106 Hình 5.2. b. Mạch thiết kế thực Interleaved Boost Converter ....................................106 Hình 5.3.a. Sơ đồ mạch nguyên lý nghịch lưu NPC 3 bậc .........................................108 Hình 5.3.b. Mạch thiết kế thực nghịch lưu NPC 3 bậc ..............................................108 Hình 5.4. a. Mạch thiết kế thực board mạch điều khiển ..............................................109 Hình 5.4.b. Sơ đồ mạch nguyên lý board mạch điều khiển........................................103 Hình 5.5. a. Cảm biến dòng ........................................................................................112 Hình 5.5.b. Cảm biến áp ............................................................................................112 Hình 5.5. c. Màn hình HMI .......................................................................................113 Hình 5.6. a . Hệ thống thực nghiệm ...........................................................................113 Hình 5.6. b. Sơ đồ nguyên lý hệ thống .........................................................................54 Hình 5.7. Giao diện điều khiển hệ thống PV ..............................................................115 Hình 5.8. Dạng sóng điện áp đầu ra pha A của hệ thống PV .....................................115 x
DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1. Bảng luật mờ ................................................................................................44 Bảng 4.1. Năm vấn đề tối ưu Benchmark ....................................................................94 Bảng 4.2. Kết quả lựa chọn tham số của PSO và DPSO ..............................................94 Bảng 4.3. Kết quả tối ưu của thuật toán PSO cho các vấn đề Benchmark sau 10 lần chạy độc lập ..................................................................................................95 Bảng 4.4. Kết quả tối ưu của thuật toán DPSO cho các vấn đề Benchmark sau 10 lần chạy độc lập ..................................................................................................95 Bảng 4.5. Kết quả của các bộ điều khiển MPPT dựa trên các thuật toán tối ưu khác nhau .......................................................................................................................99 Bảng 4.6. Kết quả tối ưu của thuật toán PPSO cho các vấn đề Benchmark ................99 Bảng 4.7. Các giá trị bức xạ mặt trời cho các tấm PV ...............................................102 Bảng 4.8. Thay đổi giá trị bức xạ cho MPPT- PPSO .................................................102 Bảng 4.9. Công suất cực đại khi có/không có thuật toán MPPT- PPSO ....................103 xi
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT AC Alternating Current Dòng xoay chiều DC Direct Current Dòng một chiều DPSO Differential Particle Swarm Optimization Tối ưu bày đàn vi phân FLC Fuzzy Logic Control Điều khiển logic mờ GA Genetic Algorithm Giải thuật di truyền HC Hill Climbing Leo đồi INC Incremental Conductance Điện dẫn gia tăng INR Incremental Resistance Tăng điện trở ISC Fractional Short Circuit Current Phân đoạn dòng điện ngắn mạch PV Photovoltaic Pin mặt trời MPP Maximum Power Point Điểm cực đại MPPT Maximum Power Point Tracking Dò tìm điểm cực đại NN Neural Network Mạng Nơron PPSO Perturbed Particle Swarm Optimization Tối ưu bầy đàn nhiễu loạn P&O Perturb and Observe Xáo trộn và quan sát PSC Partially Shaded Conditions Hiện tượng bóng râm PSO Particle Swarm Optimization Tối ưu bầy đàn PWM Pulse Width Modulation Điều biến độ rộng xung RCC Ripple Correlation Control Điều khiển gợn sóng tương quan VOC Fractional Open – Circuit Voltage Phân đoạn điện áp hở mạch xii
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1.1 Lý do chọn đề tài Năng lượng mặt trời (NLMT) được biết đến như là một nguồn năng lượng xanh và vô tận. Trong thế kỷ 21, NLMT ngày càng trở nên là một trong những nguồn năng lượng quan trọng nhất của con người [1, 116]. So với các nguồn năng lượng khác như thủy điện, phong điện, nhiệt điện, điện hạt nhân… NLMT có đặc điểm: không ô nhiễm về môi trường, độ an toàn cao, nguồn năng lượng vô tận, có thể phân bố mọi nơi trong mọi dải công suất (từ vài chục W đến hàng trăm MW). Nếu như 0.1% năng lượng mặt trời trên diện tích toàn cầu được chuyển hóa thành điện năng với hiệu suất 5%, mỗi năm ước tính có thể đạt được 5.6×1012 kWh, tương đương với 40 lần năng điện hiện tại trên toàn cầu [1, 2]. Tại Châu Âu trong năm 2010, tổng lượng điện năng NLMT của khối EU đã đạt tới 3 GW, dự tính đến năm 2020 con số này sẽ lên đến 54 GW. Tại Châu Á, Nhật Bản là quốc gia có hệ thống NLMT lớn nhất. Trong chính sách và kế hoạch phát triển năng lượng của Nhật Bản, dự tính tới năm 2030 tổng sản lượng điện NLMT sẽ đạt tới 1000 GW. Đối với Trung Quốc - một quốc gia với dân số lớn nhất thế giới và cũng đang là một trong các cường quốc kinh tế đã và đang nỗ lực phát triển hệ thống NLMT. Dự kiến đến năm 2020 tổng sản lượng điện NLMT của Trung Quốc sẽ đạt tới 1.8 GW [1, 2]. Trước năm 1999, Mỹ là quốc gia có sản lượng điện NLMT lớn nhất thế giới (hiện nay vị trí này đang thuộc về Nhật Bản và EU). Tốc độ phát triển NLMT của Mỹ bình quân hàng năm vào khoảng 30%. Đồng thời Mỹ cũng dự tính đến năm 2020 dung lượng điện NLMT sẽ đạt tới 36 GW. Và đến năm 2030 con số này sẽ là 200 GW [1,2]. Hình 1.1 thể hiện công suất điện được sản xuất bởi năng lượng mặt trời từ năm 2000 tới 2013 tại một số nước trên thế giới ngày càng phát triển, đặc biệt các nước Châu Âu phát triển rất mạnh.[126] 1
Hình 1.1. Năng lượng điện mặt trời một số nước trên thế giới từ 2000 đến 2013 Hình 1.2 thể hiện sự biến đổi về giá cả của pin quang điện tại US, ta thấy được giá pin quang điện giảm rất mạnh từ 76USD/watt vào năm 1977 xuống chỉ còn 0.3USD/watt vào năm 2015. Sự giảm này góp phần dẫn tới chi phí lắp đặt hệ thống mặt trời càng giảm, tạo tiền đề cho sự phát triển của thệ thống điện mặt trời.[127] Hình 1.2. Giá của PV cell tại Mỹ từ 1977 đến 2015 2
Nhìn tổng quát về tình hình phát triển của lĩnh vực điện mặt trời trên thế giới ta thấy nó phát triển chậm đến những năm cuối thế kỷ 20 và đầu thế kỷ 21. Trong khoảng 10 năm trở lại đây phát triển mạnh mẽ mang tính bộc phát. Cụ thể, số lượng các nước trên thế giới gia nhập cộng đồng điện mặt trời càng ngày càng nhiều thêm. Và thứ bậc theo tổng công suất điện năng mặt trời cũng biến động từ năm này sang năm khác. Khoảng 5 năm trở lại đây các cường quốc điện mặt trời phát triển vượt bậc và thứ tự xếp hạng cũng bị thay đổi nhanh chóng theo năm. Nước Mỹ là một trường hợp đặc biệt. Nước này bước vào con đường phát triển điện mặt trời khá muộn màng, nhưng tốc độ và cách đi khá ấn tượng thể hiện tiềm năng lớn của quốc gia cường quốc giàu mạnh nhất thế giới.[128] Hình 1.3. Nhà máy điện mặt trời Topaz Solar Farm (Hoa Kỳ) Chỉ khoảng 4-5 năm gần đây nhất nước Mỹ vượt qua nhiều nước để vươn lên vị trí thứ 5 của danh sách xếp hạng. Và đặc biệt Mỹ đã tiến hành xây dựng các nhà máy điện mặt trời “khủng” nhất thế giới, chiếm hẳn 5 vị trí đầu về quy mô cả về điện mặt trời quang điện SVP và cả về điện mặt trời hội tụ nhiệt quang CSP. Điều này chứng tỏ tổng công suất và diện tích lắp đặt nhà máy năng lượng mặt trời tại Mỹ cũng tăng đột biến. Tại Việt Nam mặc dù là quốc gia có tiềm năng lớn về quang năng, tuy nhiên đối với Việt Nam vấn đề nghiên cứu và sử dụng năng lượng mặt trời (NLMT) mới đang đà phát triển. Năng lượng điện quốc gia trước đây chủ yếu là thủy điện và nhiệt điện một 3
phần năng lượng gió. Bên cạnh các nguồn năng lượng điện như nhiệt điện, thủy điện…, việc phát triển các dự án năng lượng mặt trời có ý nghĩa quan trọng, nhằm đóng góp sản lượng vào hệ thống điện quốc gia và thúc đẩy phát triển các dạng năng lượng, góp phần giảm phát thải nhà kính, bảo vệ môi trường. Theo nghiên cứu của Viện Năng lượng, Việt Nam có tiềm năng lớn để phát triển NLMT, với tổng bức xạ trung bình từ 4,3- 5,7 triệu kWh/m². Các tỉnh ở phía Bắc (từ Thừa Thiên - Huế trở ra) bình quân trong năm có khoảng 1.800 - 2.100 giờ nắng. Các tỉnh ở phía Nam (từ Đà Nẵng trở vào), bình quân có khoảng 2.000 - 2.600 giờ nắng, lượng bức xạ Mặt Trời tăng 20% so với các tỉnh phía Bắc. Ở vùng này, Mặt Trời chiếu gần như quanh năm, kể cả vào mùa mưa, đây là điều kiện thuận lợi để phát triển NLMT. Tuy nhiên, trên thực tế hiện nay, việc khai thác NLMT đã chú trọng và nhiều dự án đã được triển khai nhưng nó vẫn chưa tương xứng với tiềm năng, hầu hết các dự án NLMT tại Việt Nam đều tập trung lớn ở một số tỉnh miền nam trung bộ. Đối với hệ thống NLMT nối lưới, tại Việt Nam công nghệ - kỹ thuật này còn khá mới mẻ [116]. Ngày 25/11/2015, Thủ tướng Chính phủ đã ban hành Quyết định số 2068/QĐ-TTg phê duyệt Chiến lược phát triển năng lượng tái tạo đến năm 2030, tầm nhìn đến năm 2050, trong đó nêu rõ định hướng phát triển NLMT từ nay đến năm 2050 sẽ chú trọng phát triển điện mặt trời để cung cấp điện cho hệ thống điện quốc gia và khu vực biên giới, hải đảo, vùng sâu, vùng xa chưa thể cấp điện từ nguồn điện lưới quốc gia. Đồng thời, đưa tỷ lệ điện năng sản xuất từ nguồn NLMT trong tổng sản lượng điện sản xuất từ mức không đáng kể hiện nay lên khoảng 0,5% vào năm 2020, 6% vào năm 2030 và 20% vào năm 2050. Trong Quy hoạch điện VII (điều chỉnh) được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt cũng yêu cầu đẩy nhanh tiến độ của các dự án điện mặt trời, bao gồm nguồn tập trung lắp đặt trên mặt đất và các nguồn riêng lẻ lắp đặt trên nóc nhà, đưa công suất nguồn điện mặt trời lên khoảng 850 MW vào năm 2020, đến năm 2025 là 4.000 MW và năm 2030 là 12.000 MW. Theo lộ trình, từ nay đến năm 2020, mỗi năm, Việt Nam cần xây dựng các dự án điện mặt trời với công suất 200 MW; từ năm 2020 - 2025, mỗi năm phải lắp đặt hơn 600 MW và 5 năm tiếp theo, phải lắp đặt 1.600 MW mới đạt kế hoạch đề ra. Tuy nhiên, thách thức lớn nhất đối với phát triển điện mặt trời là vấn đề chi phí đầu tư để khai thác, sử dụng NLMT rất cao do công nghệ, thiết bị sản xuất đều nhập từ 4
nước ngoài. Phần lớn, những dự án điện mặt trời lớn đều sử dụng nguồn vốn tài trợ, hoặc vốn vay nước ngoài. Ngoài ra, các dự án điện mặt trời thường được lắp đặt tại các vị trí xa trung tâm phụ tải, gây khó khăn cho việc đấu nối vào lưới điện quốc gia, đồng thời làm gia tăng chi phí đấu nối. [129] Hình 1.4. Hệ thống điện mặt trời tại Ninh Thuận Tháng 8/2016, tại cuộc họp Thường trực Chính phủ về cơ chế khuyến khích phát triển các dự án điện mặt trời, Thủ tướng Chính phủ đã thống nhất với đề xuất của Bộ Công Thương về việc xem xét ban hành cơ chế hỗ trợ phát triển các dự án điện mặt trời tại Việt Nam. Đồng thời, Thủ tướng Chính phủ yêu cầu Bộ Công Thương bổ sung quy định cụ thể về quy hoạch đối với điện mặt trời (phát triển các dự án theo bản đồ bức xạ Mặt Trời, bổ sung các dự án điện sử dụng NLMT vào quy hoạch phát triển điện lực…); Cập nhật giá thiết bị điện mặt trời để đưa ra mức giá mua bán điện phù hợp; Nghiên cứu, bổ sung quy định để thực hiện đấu thầu các dự án điện mặt trời theo hướng công khai, minh bạch. [130] Ngày 07 tháng 8 năm 2017, Thủ tướng Chính phủ đã ký chỉ định số 34/CT-TTg về việc tăng cường tiết kiệm điện, nhằm đáp ứng yêu cầu phát triển kinh tế - xã hội của đất nước, nâng cao sức cạnh tranh của nền kinh tế, đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia gắn với phát triển bền vững và bảo vệ môi trường. Chỉ thị này thay thế Chỉ thị 5
171/CT-TTg ngày 26/01/2011 của Thủ tướng Chính phủ về việc tăng cường tiết kiệm điện. Thủ tướng Chính phủ yêu cầu các tổ chức, cá nhân thực hiện nghiêm việc tiết kiệm điện. Để đáp ứng yêu cầu phát triển kinh tế, xã hội của đất nước trong giai đoạn hiện nay với mục tiêu tăng cường hiệu lực, hiệu quả quản lý nhà nước trong việc tiết kiệm điện nhằm nâng cao sức cạnh tranh của nền kinh tế, đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia gắn với phát triển bền vững và bảo vệ môi trường. Nhằm đẩy mạnh khai thác và sử dụng có hiệu quả nguồn năng lượng Mặt Trời, Thủ tướng Chính phủ đã ban hành Quyết định số 11/2017/QĐ-TTg về cơ chế khuyến khích phát triển các dự án điện Mặt Trời tại Việt Nam. Đây được coi là hướng mở, “cú huých” phát triển nguồn năng lượng này. Theo Quyết định này, dự án điện Mặt Trời được miễn thuế nhập khẩu đối với hàng hóa nhập khẩu để tạo tài sản cố định cho dự án; thực hiện theo quy định của pháp luật hiện hành về thuế xuất khẩu, thuế nhập khẩu đối với hàng hóa nhập khẩu phục vụ sản xuất của dự án là nguyên liệu, vật tư, bán thành phẩm trong nước chưa sản xuất được. Các dự án điện mặt trời, công trình đường dây và trạm biến áp để đấu nối với lưới điện được miễn, giảm tiền sử dụng đất, tiền thuê đất, tiền thuê mặt nước theo quy định của pháp luật hiện hành áp dụng cho dự án thuộc lĩnh vực ưu đãi đầu tư. Hiện tại, đã có khoảng 50 dự án điện mặt trời được các doanh nghiệp trong và ngoài nước triển khai, chủ yếu tại các tỉnh miền Trung như: Quảng Nam, Quảng Ngãi, Bình Định, Khánh Hòa, Ninh Thuận, Bình Thuận và đồng bằng sông Cửu Long. Khánh Hòa có 9 dự án điện mặt trời quy mô lớn được UBND tỉnh quy hoạch với tổng diện tích 795ha, tổng mức đầu tư 13.020 tỷ đồng. Theo Sở Kế hoạch và Đầu tư Ninh Thuận tính đến cuối tháng 9/2018, tỉnh có 29 dự án điện mặt trời, với tổng công suất 1.938,17 MW. Có thể nói, việc hoàn thiện các cơ chế, chính sách khuyến khích phát triển NLMT là rất cần thiết, để tạo ra làn sóng đầu tư vào lĩnh vực điện mặt trời, góp phần thực hiện tăng trưởng xanh và phát triển bền vững tại Việt Nam. Theo thành phần cấu trúc cũng như chức năng, hệ thống PV có thể được chia thành ba loại: hệ thống độc lập, hệ thống kết nối lưới và hệ thống lai. Đối với những nơi cách xa hệ thống điện lưới, các hệ thống PV độc lập được coi là một giải pháp thay thế điện lưới tối ưu. Những hệ thống này có thể được xem như là một nguồn kinh tế thiết thực và đáng tin cậy về điện ở các vùng nông thôn xa xôi, đặc biệt là những nơi điện lưới 6