Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu điều khiển tối ưu công suất cho hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:117

Thêm vào BST

Báo xấu

73
lượt xem 19
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung nghiên cứu của luận văn là tổng quan tình hình khai thác và sử dụng năng lượng điện mặt trời trên thế giới và tại Việt Nam. Nghiên cứu pin quang điện và các đặc tính V-I và V-P của nó. Nghiên cứu thuật toán điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ pin quang điện. Nghiên cứu nối lưới hệ thống điện năng lượng mặt trời.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu điều khiển tối ưu công suất cho hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM --------------------------- LƯƠNG HOÀNG NAM NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT CHO HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI NỐI LƯỚI LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số ngành: 60520202 TP. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2016
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM --------------------------- LƯƠNG HOÀNG NAM NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT CHO HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI NỐI LƯỚI LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số ngành: 60520202 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. HUỲNH CHÂU DUY TP. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2016
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học: HUỲNH CHÂU DUY (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM ngày 25 tháng 9 năm 2016 Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ) TT Họ và tên Chức danh Hội đồng 1 TS. Nguyễn Xuân Hoàng Việt Chủ tịch 2 PGS. TS. Nguyễn Cao Cường Phản biện 1 3 GS. TS. Nguyễn Kim Hùng Phản biện 2 4 PGS. TS. Lê Chí Kiên Ủy viên 5 TS. Đoàn Thị Bằng Ủy viên, Thư ký Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá sau khi Luận văn đã được sửa chữa (nếu có). Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV
TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG QLKH – ĐTSĐH Độc lập – Tự do – Hạnh phúc Tp.HCM, ngày tháng 6 năm 2016. NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: LƯƠNG HOÀNG NAM Giới tính: NAM Ngày, tháng, năm sinh: 06/6/1973 Nơi sinh: Tỉnh Đồng Tháp Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN MSHV: 14411830042 I- Tên đề tài: “NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT CHO HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI NỐI LƯỚI” II- Nhiệm vụ và nội dung: - Tổng quan tình hình khai thác và sử dụng năng lượng điện mặt trời trên thế giới và tại Việt Nam. - Nghiên cứu pin quang điện và các đặc tính V-I và V-P của nó. - Nghiên cứu thuật toán điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ pin quang điện. - Nghiên cứu nối lưới hệ thống điện năng lượng mặt trời. III- Ngày giao nhiệm vụ: IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: V- Cán bộ hướng dẫn: TS. HUỲNH CHÂU DUY CÁN BỘ HUỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)
i LỜI CAM ÐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng Tôi. Các số liệu và kết quả nghiên cứu được trình bày trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố ở bất kỳ đâu. Tôi xin cam đoan mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã được cảm ơn. Tôi cũng xin cam đoan các nội dung tham khảo trong Luận văn đã được trích dẫn đầy đủ nguồn gốc. Học viên thực hiện Luận văn Lương Hoàng Nam
ii LỜI CÁM ƠN Đầu tiên, xin chân thành cám ơn Thầy TS. HUỲNH CHÂU DUY đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và đóng góp những ý kiến quý báu cho quá trình thực hiện Luận văn này. Xin cám ơn quý Thầy, Cô đã trang bị cho Tôi các kiến thức quý báu trong quá trình học tập giúp Tôi đủ năng lực để thực hiện Luận văn này. Xin cảm ơn tập thể lớp 14SMĐ21 đã động viên và giúp đỡ Tôi trong quá trình thực hiện Luận văn này. Cuối cùng, xin cám ơn Trường Đại học Công nghệ Tp. HCM; Khoa Cơ - Điện - Điện tử; Phòng Quản lý Khoa học - Đào tạo sau Đại học và Cơ quan nơi Tôi đang công tác đã tạo các điều kiện tốt nhất cho tôi thực hiện Luận văn này. Lương Hoàng Nam
iii TÓM TẮT Luận văn tập trung các vấn đề liên quan đến “Nghiên cứu điều khiển tối ưu công suất cho hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới” bao gồm các nội dung như sau: - Chương 1: Giới thiệu chung - Chương 2: Tổng quan tình hình nghiên cứu và khai thác nguồn năng lượng điện mặt trời và pin quang điện - Chương 3: Pin quang điện và hệ thống pin quang điện kết nối lưới - Chương 4: Thuật toán bám điểm công suất cực đại - Chương 5: Mô phỏng điều khiển tối ưu công suất và kết nối lưới của một hệ thống điện năng lượng mặt trời - Chương 6: Kết luận và hướng phát triển tương lai
iv ABSTRACT The thesis presents issues relating to "Maximum power point tracking control of a grid-connected solar energy systems" that includes the following contents: - Chapter 1: Introduction - Chapter 2: Literature review of the exploitation and utilization of the solar energy source and photovoltaic cell - Chapter 3: Photovoltaic cell and grid-connected solar photovoltaic system - Chapter 4: Algorithms for maximum power point tracking - Chapter 5: Simulation results of a grid-connected solar energy system with maximum power point tracking - Chapter 6: Conclusions and future works
v MỤC LỤC LỜI CAM ÐOAN ................................................................................................... i LỜI CÁM ƠN ........................................................................................................ ii TÓM TẮT ............................................................................................................. iii ABSTRACT .......................................................................................................... iv MỤC LỤC .............................................................................................................. v DANH SÁCH HÌNH VẼ .................................................................................... viii DANH SÁCH BẢNG ......................................................................................... xiii CHƯƠNG 1 - GIỚI THIỆU CHUNG ................................................................ 1 1.1. Giới thiệu......................................................................................................... 1 1.2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu .................................................................... 2 1.3. Tính cấp thiết của đề tài .................................................................................. 2 1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ................................................................... 2 1.5. Ý nghĩa của đề tài ............................................................................................ 3 1.5.1. Ý nghĩa khoa học ......................................................................................... 3 1.5.2. Ý nghĩa thực tiễn .......................................................................................... 3 1.6. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................ 4 1.7. Bố cục của luận văn ....................................................................................... 4 CHƯƠNG 2 - TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ KHAI THÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI VÀ PIN QUANG ĐIỆN ..................................................................................................................... 5 2.1. Cấu trúc mặt trời ............................................................................................ 5 2.2. Quỹ đạo của trái đất quanh mặt trời ............................................................... 7 2.3. Góc cao độ của mặt trời vào buổi trưa ........................................................... 8 2.4. Bức xạ mặt trời ............................................................................................. 10 2.5. Ứng dụng năng lượng mặt trời ..................................................................... 14 2.5.1. Pin mặt trời ................................................................................................ 15 2.5.2. Nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng mặt trời ..................................... 16 2.5.3. Động cơ Stirling chạy bằng năng lượng mặt trời ...................................... 17 2.5.4. Thiết bị đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời ................................... 18
vi 2.5.5. Thiết bị làm lạnh và điều hòa không khí dùng năng lượng mặt trời .......... 19 2.6. Tình hình khai thác năng lượng mặt trời tại Việt Nam ................................ 20 2.7. Tổng quan tình hình nghiên cứu .................................................................. 24 CHƯƠNG 3 - PIN QUANG ĐIỆN VÀ HỆ THỐNG PIN QUANG ĐIỆN KẾT NỐI LƯỚI ................................................................................................. 28 3.1. Giới thiệu....................................................................................................... 28 3.2. Sơ đồ thay thế đơn giản của PV .................................................................... 30 3.3. Sơ đồ thay thế của PV có xét đến các tổn hao .............................................. 32 3.4. Module PV .................................................................................................... 32 3.5. Mảng PV ....................................................................................................... 34 3.5.1. Nối nối tiếp nhiều module PV .................................................................... 34 3.5.2. Nối song song nhiều module PV ................................................................ 34 3.5.3. Nối hỗn hợp nhiều module PV ................................................................... 35 3.6. Các ảnh hưởng đến PV.................................................................................. 35 3.6.1. Ảnh hưởng của cường độ chiếu sáng ......................................................... 35 3.6.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ ............................................................................. 36 3.6.3. Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm ........................................................ 37 3.7. Các hệ thống PV ứng dụng ........................................................................... 41 3.7.1. Hệ thống PV độc lập .................................................................................. 41 3.7.2. Hệ thống PV kết nối lưới ........................................................................... 41 3.8. Cấu hình DC/DC - DC/AC ........................................................................... 47 3.8.1. Bộ biến đổi DC/DC .................................................................................... 47 3.8.2. Bộ biến đổi DC/AC .................................................................................... 51 CHƯƠNG 4 - THUẬT TOÁN BÁM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI ......... 61 4.1. Giới thiệu....................................................................................................... 61 4.2. Thuật toán P&O (Perturbation & Observation) ............................................ 62 4.3. Thuật toán điện dẫn gia tăng (InC - Incremental Conductance) ................... 66 4.4. Thuật toán điện áp hằng số............................................................................ 68 4.5. Phương pháp điều khiển MPPT .................................................................... 70 4.5.1. Phương pháp điều khiển PI ........................................................................ 70 4.5.2. Phương pháp điều khiển trực tiếp .............................................................. 71
vii 4.5.3. Phương pháp điều khiển đo trực tiếp tín hiệu ra ........................................ 73 4.6. Đề xuất thuật toán bám điểm công suất cực đại ........................................... 74 CHƯƠNG 5- MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT VÀ KẾT NỐI LƯỚI CỦA MỘT HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI .. 76 5.1. Giới thiệu....................................................................................................... 76 5.2. Mô phỏng pin quang điện ............................................................................. 77 5.3. Khối DC/DC MPPT ...................................................................................... 81 5.4. Kết quả mô phỏng tương ứng với điều kiện bức xạ thay đổi và nhiệt độ không đổi .............................................................................................................. 81 5.4.1. Điều kiện bức xạ, G = 1 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C ............................ 81 5.4.2. Điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C ......................... 85 5.4.3. Điều kiện bức xạ, G = 0,6 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C ......................... 87 5.5. Kết quả mô phỏng tương ứng với điều kiện bức xạ không đổi và nhiệt độ thay đổi ................................................................................................................. 90 5.5.1. Điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 150C ......................... 90 5.5.2. Điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C ......................... 93 5.5.3. Điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 300C ......................... 95 5.5.4. Điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 350C .......................... 98 CHƯƠNG 6 - KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN TƯƠNG LAI .... 102 6.1. Kết luận ....................................................................................................... 102 6.2. Hướng phát triển tương lai .......................................................................... 102 Tài liệu tham khảo ............................................................................................. 103
viii DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 2.1. Cấu trúc của mặt trời ............................................................................ 5 Hình 2.2. Quỹ đạo trái đất quay quanh mặt trời ................................................... 8 Hình 2.3. Quỹ đạo trái đất .................................................................................... 9 Hình 2.4. Góc cao độ mặt trời .............................................................................. 9 Hình 2.5. Dải bức xạ điện từ ............................................................................... 10 Hình 2.6. Góc nhìn mặt trời ................................................................................ 11 Hình 2.7. Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển của trái đất................................................................................................. 13 Hình 2.8. Hệ thống pin mặt trời .......................................................................... 15 Hình 2.9. Nhà máy điện mặt trời ........................................................................ 16 Hình 2.10. Tháp năng lượng mặt trời ................................................................. 17 Hình 2.11. Động cơ Stirling dùng năng lượng mặt trời ...................................... 17 Hình 2.12. Hệ thống cung cấp nước nóng dùng năng lượng mặt trời ................ 19 Hình 2.13. Hệ thống máy lạnh dùng năng lượng mặt trời ................................. 20 Hình 3.1. Phổ năng lượng mặt trời ..................................................................... 28 Hình 3.2. Nguyên tắc chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện của PV ................................................................................................ 29 Hình 3.3. Mô hình đơn giản của PV ................................................................... 30 Hình 3.4. Sơ đồ thay thế đơn giản của PV.......................................................... 30 Hình 3.5. Các tham số quan trọng của PV: dòng điện ngắn mạch, Isc và điện áp hở mạch, Voc ..................................................................................... 31 Hình 3.6. Mô hình thay thế PV có xét đến các tổn hao ...................................... 32 Hình 3.7. Đặc tính PV có xét đến các ảnh hưởng của Rs và Rp ........................ 32 Hình 3.8. Module PV .......................................................................................... 33 Hình 3.9. Đặc tính của module PV ..................................................................... 33 Hình 3.10. Các module PV được kết hợp nối tiếp với nhau ............................... 34 Hình 3.11. Các module PV được kết hợp song song với nhau .......................... 34 Hình 3.12. Các module PV được kết hợp hỗn hợp với nhau .............................. 35
ix Hình 3.13. Đặc tuyến V-I của PV với các cường độ chiếu sáng khác nhau và nhiệt độ PV không đổi, 250C ............................................................. 36 Hình 3.14. Đặc tuyến V-I của PV với các nhiệt độ khác nhau và cường độ chiếu sáng không đổi 1 kW/m2 ................................................................... 36 Hình 3.15. Module PV với n PV trong trường hợp module không bị che khuất 37 Hình 3.16. Module PV với n PV trong trường hợp module bị che khuất một phần .................................................................................................... 37 Hình 3.17. Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm đối với module PV ............... 38 Hình 3.18. Module PV với nhiều PV bị che khuất ............................................. 39 Hình 3.19. Module PV sử dụng diode bypass .................................................... 39 Hình 3.20. Đặc tính của PV trong trường hợp sử dụng diode bypass ................ 40 Hình 3.21. Đánh giá so sánh giữa các trường hợp có và không có diode bypass40 Hình 3.22. Hệ thống PV kết nối lưới .................................................................. 41 Hình 3.23. Hệ thống PV độc lập ......................................................................... 43 Hình 3.24. Hệ thống PV kết hợp ........................................................................ 44 Hình 3.25. Sơ đồ pha của hệ PV kết nối với lưới điện ...................................... 44 Hình 3.26. Hệ PV kết nối lưới điện đơn giản ..................................................... 45 Hình 3.27. Sơ đồ khối mô tả hệ PV kết nối lưới ................................................ 46 Hình 3.28. Kiểu máy biến áp tần số thấp và cao ................................................ 46 Hình 3.29. Kiểu không cách ly bằng máy biến áp .............................................. 47 Hình 3.30. Các bộ biến đổi DC-DC chuyển mạch cổ điển ................................. 48 Hình 3.31. Bộ biến đổi Buck-Boost.................................................................... 48 Hình 3.32. Sơ đồ xung kích, dòng tải và dòng qua cuộn cảm ............................ 50 Hình 3.33. Sơ đồ nghịch lưu 3 pha hòa lưới ....................................................... 51 Hình 3.34. Bộ điều khiển nghịch lưu 3 pha hòa lưới.......................................... 52 Hình 3.35. Sơ đồ hệ thống điều khiển PLL ........................................................ 53 Hình 3.36. Tín hiệu ngõ ra VCO ........................................................................ 54 Hình 3.37. Sơ đồ thực hiện bộ PLL 3 pha .......................................................... 55 Hình 3.38. Hệ trục tọa độ  .............................................................................. 56 Hình 3.39. Hệ trục tọa độ dq............................................................................... 58 Hình 3.40. Toàn bộ hệ thống nghịch lưu hòa lưới sử dụng PLL ........................ 59
x Hình 4.1. Quan hệ điện áp và dòng điện của PV ................................................ 61 Hình 4.2. Thuật toán P&O khi tìm điểm làm việc có công suất lớn nhất .......... 62 Hình 4.3. Lưu đồ thuật toán P&O....................................................................... 64 Hình 4.4. Sự thay đổi điểm MPP theo gia tăng bức xạ ...................................... 65 Hình 4.5. Thuật toán InC .................................................................................... 66 Hình 4.6. Lưu đồ thuật toán InC ......................................................................... 68 Hình 4.7. Lưu đồ thuật toán điện áp không đổi .................................................. 69 Hình 4.8. Sơ đồ khối phương pháp điều khiển MPPT sử dụng bộ bù PI ........... 70 Hình 4.9. Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển trực tiếp MPPT .................. 71 Hình 4.10. Mối quan hệ giữa tổng trở vào Rin và hệ số làm việc D .................. 73 Hình 5.1. Sơ đồ hệ thống điện năng lượng mặt trời bám điểm công suất cực đại và nối lưới .......................................................................................... 76 Hình 5.2. Sơ đồ mô phỏng hệ thống điện năng lượng mặt trời bám điểm công suất cực đại và nối lưới ...................................................................... 77 Hình 5.3. Hệ pin quang điện (10 nối tiếp x 02 song song) ................................. 78 Hình 5.4. Hệ pin quang điện tương ứng với các điều kiện bức xạ, G (kW/m2) và nhiệt độ, T (0C) khác nhau................................................................. 78 Hình 5.5. Lưới 3 pha điện áp 220 V và tần số 50 Hz ......................................... 79 Hình 5.6. Đặc tuyến V-I tương ứng với các điều kiện bức xạ 1 kW/m2; 0,8 kW/m2 và 0,6 kW/m2 và nhiệt độ môi trường 250C ........................ 80 Hình 5.7. Đặc tuyến V-P tương ứng với các điều kiện bức xạ 1 kW/m2; 0,8 kW/m2 và 0,6 kW/m2 và nhiệt độ môi trường 250C ......................... 80 Hình 5.8. Bộ biến đổi DC/DC và bám điểm công suất cực đại (MPPT) ............ 81 Hình 5.9. Điện áp, Vdc ....................................................................................... 82 Hình 5.10. Cường độ dòng điện của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều kiện bức xạ G = 1 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C ......... 82 Hình 5.11. Điện áp của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều kiện bức xạ G = 1 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C .............................. 83 Hình 5.12. Công suất của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều kiện bức xạ G = 1 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C .............................. 84
xi Hình 5.13. Cường độ dòng điện của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều kiện bức xạ G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C ...... 85 Hình 5.14. Điện áp của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều kiện bức xạ G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C ........................... 85 Hình 5.15. Công suất của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều kiện bức xạ G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C ........................... 86 Hình 5.16. Cường độ dòng điện của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều kiện bức xạ G = 0,6 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C ...... 87 Hình 5.17. Công suất của hệ PV sử dụng thuật toán P&O và P&O thích nghi với G thay đổi bậc thang .................................................................... 88 Hình 5.18. Công suất của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều kiện bức xạ G = 0,6 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C ........................... 88 Hình 5.19. Đặc tuyến V-P tương ứng với các điều kiện bức xạ 0,8 kW/m2 và nhiệt độ môi trường 150C ................................................................... 90 Hình 5.20. Cường độ dòng điện của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 150C ..... 90 Hình 5.21. Điện áp của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 150C .......................... 91 Hình 5.22. Công suất của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 150C .......................... 92 Hình 5.23. Cường độ dòng điện của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều kiện bức xạ G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C ...... 93 Hình 5.24. Điện áp của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều kiện bức xạ G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C ........................... 93 Hình 5.25. Công suất của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều kiện bức xạ G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C ........................... 94 Hình 5.26. Đặc tuyến V-P tương ứng với các điều kiện bức xạ 0,8 kW/m2 và nhiệt độ môi trường 300C ................................................................... 95 Hình 5.27. Cường độ dòng điện của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều kiện bức xạ G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 300C ...... 95
xii Hình 5.28. Điện áp của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều kiện bức xạ G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 300C ............................ 96 Hình 5.29. Công suất của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều kiện bức xạ G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 300C ............................ 97 Hình 5.30. Đặc tuyến V-P tương ứng với các điều kiện bức xạ 0,8 kW/m2 và nhiệt độ môi trường 350C ................................................................... 98 Hình 5.31. Cường độ dòng điện của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều kiện bức xạ G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 350C ....... 98 Hình 5.32. Điện áp của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều kiện bức xạ G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 350C ............................ 99 Hình 5.33. Công suất của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều kiện bức xạ G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 350C .......................... 100
xiii DANH SÁCH BẢNG Bảng 2.1. Bảng ngày số n của ngày đầu tiên của mỗi tháng ................................ 8 Bảng 2.2. Bảng thống kê góc  của ngày 21 mỗi tháng ....................................... 9 Bảng 2.3. Tiềm năng năng lượng mặt trời tại Việt Nam .................................... 21 Bảng 3.1. Bảng phân loại tuần hoàn trích lược với tinh thể Silicon thuộc nhóm IV........................................................................................................ 29 Bảng 4.1. Bảng tóm tắt thuật toán leo đồi P&O ................................................. 63 Bảng 5.1. Thông số của 01 PV và hệ với 10 PV ................................................ 78 Bảng 5.2. So sánh các kết quả mô phỏng tương ứng với điều kiện bức xạ thay đổi, G = 1; 0,8 và 0,6 kW/m2; nhiệt độ, T = 250C không thay đổi.... 89 Bảng 5.3. So sánh các kết quả mô phỏng tương ứng với điều kiện nhiệt độ thay đổi khác nhau, T = 15; 25; 30 và 350C; và bức xạ, G = 0,8 kW/m2 không thay đổi ................................................................................. 101
1 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1. Giới thiệu Ngành năng lượng điện của Việt Nam và thế giới hiện đang gặp phải những khó khăn như: nhu cầu năng lượng ngày càng tăng nhanh; sự khan hiếm của các nguồn nhiên liệu hóa thạch; sức ép phải giảm thải khí CO2 do ảnh hưởng đến môi trường. Điều này đã thúc đẩy các nỗ lực tìm kiếm nguồn năng lượng khác thay thế bên cạnh việc sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả. Việt Nam có vị trí địa lý nằm gần xích đạo, có số giờ nắng trung bình 2.000 giờ/năm ở hầu hết các tỉnh. Tại các khu vực đô thị lớn, tiềm năng năng lượng mặt trời có thể đạt 4,08 - 5,15 kWh/m2/ngày. Điều này chứng tỏ rằng điều kiện tự nhiên của Việt Nam rất thuận lợi cho sự phát triển và sử dụng các năng lượng tái tạo nói chung và năng lượng mặt trời nói riêng. Ngoài ra, có thể nhận thấy rằng năng lượng mặt trời là một trong những nguồn năng lượng có độ tin cậy cao, có thể dự đoán được và đặc biệt là có năng suất rất cao vào những giờ cao điểm về tiêu thụ điện. Các nguồn năng lượng tái tạo nói chung và năng lượng mặt trời nói riêng ngày càng có tầm quan trọng hơn. Tuy nhiên, do đặc thù riêng trong việc áp dụng nên phần lớn các công nghệ năng lượng mặt trời vẫn có giá khá cao và vẫn cần các biện pháp trợ giá để thúc đẩy phát triển trong tương lai. Điều này thôi thúc các nhà khoa học không ngừng tìm tòi để nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn năng lượng này. Bên cạnh đó, việc kết nối lưới hệ thống điện năng lượng mặt trời cũng là một trong các giải pháp được xem xét cho bài toán lưu trữ năng lượng điện mặt trời mà đang phải gánh chịu các chỉ trích mạnh mẽ liên quan đến ô nhiễm môi trường khi con người sử dụng các phương án lưu trữ thông qua ắc-quy. Với các phân tích trên, cho thấy rằng giải pháp “Nghiên cứu điều khiển tối ưu công suất cho hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới” cũng không nằm ngoài mục tiêu chung đó, nhằm cung cấp công suất điện tối đa trong mọi điều kiện môi trường và đặc biệt hơn là hệ thống điện năng lượng mặt trời này sẽ được nối lưới.
2 1.2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu Đề tài “Nghiên cứu điều khiển tối ưu công suất cho hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới” sẽ được thực hiện với các mục tiêu và nội dung như sau: - Khảo sát tình hình khai thác và sử dụng năng lượng điện mặt trời trên thế giới và tại Việt Nam. - Nghiên cứu pin quang điện và các đặc tính V-I và V-P của nó. - Nghiên cứu thuật toán điều khiển tối ưu công suất một hệ thống điện năng lượng mặt trời thông qua PV. - Nghiên cứu nối lưới hệ thống điện năng lượng mặt trời. 1.3. Tính cấp thiết của đề tài Ngày nay, nguồn điện để phát triển kinh tế xã hội tại Việt Nam phụ thuộc rất lớn vào nguồn nhiệu liệu hóa thạch và khí chiếm 53,61%, và nguồn thủy điện chiếm 46,08%. Tuy nhiên, nguồn điện sử dụng từ nguồn nhiên liệu hóa thạch và khí ngày càng cạn kiệt, giá thành cao; đối với nguồn thủy điện thì có diễn biến rất thất thường do biến đổi khí hậu toàn cầu. Từ đó, năng lượng tái tạo nổi lên như một nguồn năng lượng thay thế tất yếu trong hiện tại và tương lai. Nhận thức được tầm quan trọng, lợi thế và lợi ích của các nguồn năng lượng tái tạo trước nhu cầu tiêu thụ điện ngày càng tăng phục vụ phát triển kinh tế, theo dự báo tăng trưởng điện thương phẩm tại Việt Nam bình quân từ 10,5 - 11%, gần đây Chính phủ Việt Nam đã xem xét việc nghiên cứu, khảo sát, khuyến khích phát triển năng lượng mới và năng lượng tái tạo. 1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài là một hệ thống pin quang điện mặt trời, một mảng gồm nhiều mô-đun với mỗi mô-đun có nhiều tế bào pin mặt trời kết nối với nhau theo một cấu hình cụ thể. Phạm vi nghiên cứu của đề tài là tìm điểm công suất cực đại của hệ thống điện năng lượng mặt trời dưới các điều kiện bức xạ và nhiệt độ khác nhau sao cho có thể
3 tối ưu hóa năng lượng thu được. Đồng thời, hệ thống điện năng lượng mặt trời này sẽ được nghiên cứu để kết nối với lưới điện. 1.5. Ý nghĩa của đề tài 1.5.1. Ý nghĩa khoa học Hiện nay, có nhiều đề tài nghiên cứu về kỹ thuật điều khiển bám điểm công suất cực đại (MPPT) cho hệ thống pin quang điện mặt trời. Trên cơ sở đó, các thuật toán tìm kiếm điểm công suất cực đại lần lượt được đề xuất như thuật toán P&O (Perturbation and Observation), thuật toán InC (Incremental Conductance), thuật toán dựa trên kỹ thuật logic mờ, thuật toán dựa trên mạng nơ-rôn, ... Đề tài khai thác ưu điểm của các thuật toán trên đề xuất một thuật toán bám điểm công suất cực đại theo một cách tiếp cận cải tiến nhằm nâng cao hiệu quả bám điểm công suất cực đại so với các thuật toán khác đang sử dụng. 1.5.2. Ý nghĩa thực tiễn Giải quyết bài toán năng lượng và bài toán môi trường hiện nay càng lúc càng cấp bách mà trong đó năng lượng mặt trời nói riêng và năng lượng tái tạo nói chung là một hướng đi đúng đắn. Hơn nữa, công việc luôn đòi hỏi phải nâng cao hiệu quả trong cách khai thác và sử dụng năng lượng mặt trời. Đề tài được nghiên cứu nhằm mục đích đem đến sự hiệu quả cao nhất trong cách khai thác và sử dụng nhằm góp phần thúc đẩy sự phát triển của công nghệ xanh này. Đồng thời, giải pháp kết nối hệ thống điện năng lượng mặt trời với lưới điện cũng góp phần chia sẻ gánh nặng về khả năng cung cấp điện của các nguồn điện truyền thống mà hoàn toán phù hợp với Quyết định số 2068/QĐ-TTg của Thủ tướng chính phủ về phê duyệt chiến lược phát triển năng lượng tái tạo của Việt Nam đến năm 2030, tầm nhìn đến năm 2050, trong đó liên quan trực tiếp đến định hướng phát triển nguồn năng lượng 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 [1].