Tài liệu Luận văn tối ưu hóa công suất phát của hệ thống pin quang điện sử dụng giải thuật inc cải tiến​

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM --------------------------- NGUYỄN THANH HIẾU TỐI ƯU HÓA CÔNG SUẤT PHÁT CỦA HỆ THỐNG PIN QUANG ĐIỆN SỬ DỤNG GIẢI THUẬT INC CẢI TIẾN LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số ngành: 60520202 TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM --------------------------- NGUYỄN THANH HIẾU TỐI ƯU HÓA CÔNG SUẤT PHÁT CỦA HỆ THỐNG PIN QUANG ĐIỆN SỬ DỤNG GIẢI THUẬT INC CẢI TIẾN LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số ngành: 60520202 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. HUỲNH CHÂU DUY TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2018 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS. TS. 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 … tháng … năm … 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 1 2 3 4 5 Họ và tên Chức danh Hội đồng Chủ tịch Phản biện 1 Phản biện 2 Ủy viên Ủy viên, Thư ký Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được sửa chữa (nếu có). Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC Độc lập – Tự do – Hạnh phúc Tp. HCM, ngày......tháng........năm 20... NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Nguyễn Thanh Hiếu Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: Nơi sinh: Chuyên ngành: Kỹ thuật điện MSHV: I- Tên đề tài: Tối ưu hóa công suất phát của hệ thống pin quang điện sử dụng giải thuật InC cải tiến II- Nhiệm vụ và nội dung: - Nghiên cứu các đặc tính của pin quang điện. - Nghiên cứu và xây dựng một hệ thống pin quang điện. - Nghiên cứu và đề xuất giải thuật tối ưu hóa công suất phát của hệ thống pin quang điện. - Mô phỏng hệ thống pin quang điện. - Mô phỏng giải thuật đề xuất tối ưu hóa công suất phát của hệ thống pin quang điện. III- Ngày giao nhiệm vụ: IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: V- Cán bộ hướng dẫn: PGS. TS. HUỲNH CHÂU DUY CÁN BỘ HUỚNG DẪN (Họ tên và chữ ký) KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký) LỜI CAM ÐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng đuợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã đuợc cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã đuợc chỉ rõ nguồn gốc. Học viên thực hiện Luận văn Nguyễn Thanh Hiếu LỜI CÁM ƠN Đầu tiên, Em xin chân thành cám ơn Trường Đại học Công nghệ TP. HCM, Viện đào tạo sau đại học, Viện Kỹ thuật HUTECH đã hỗ trợ, tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành khóa học và đề tài luận văn. Đặc biệt em xin chân thành cám ơn Thầy, PGS. TS. Huỳnh Châu Duy đã tận tình giúp đỡ, đóng góp những ý kiến quý báo và hướng dẫn em thực hiện hoàn thiện luận văn này. Cuối cùng, xin cảm ơn tập thể lớp 16SMĐ12, đồng nghiệp và gia đình đã tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn. Nguyễn Thanh Hiếu Tóm tắt Một trong các ứng dụng chính từ nguồn năng lượng mặt trời là sản xuất năng lượng điện thông qua hệ thống pin quang điện (Photovoltaic, PV). Trong đó, hệ thống pin quang điện này có thể hoạt động độc lập phục vụ trong các hộ gia đình, phục vụ chiếu sáng đường phố cục bộ; hoặc có thể là một hệ thống pin quang điện được kết nối với lưới điện quốc gia. Tuy nhiên, trong các hệ thống pin quang điện này đang tồn tại một vài nhược điểm lớn như sau: - Hiệu suất chuyển đổi của năng lượng mặt trời thành năng lượng điện là tương đối thấp (9 ÷ 17%); - Năng lượng điện được tạo ra bởi hệ thống pin quang điện thay đổi liên tục dưới các điều kiện thời tiết khác nhau. Chính vì các lý do trên, đề tài “Tối ưu hóa công suất phát của hệ thống pin quang điện sử dụng giải thuật InC cải tiến” được lựa chọn và thực hiện trong luận văn này. Luận văn 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 mặt trời + Chương 3: Hệ thống pin quang điện + Chương 4: Tối ưu hóa công suất phát của hệ thống pin quang điện + Chương 5: Mô phỏng tối ưu hóa công suất phát của hệ thống pin quang điện + Chương 6: Kết luận và hướng phát triển tương lai Abstract One of the main applications of the solar energy source is to generate electricity through photovoltaic (PV) systems. In particular, this PV system can be operated independently in households, served street lighting systems, or the PV system may be connected to the grid. However, there are several major shortcomings in these PV systems : - The conversion efficiency of solar energy into electrical energy is relatively low (9 ÷ 17%); - The electrical energy generated by the PV system is constantly changing under different weather conditions. For the above reasons, the topic of "Power optimization of a solar PV system using an improved InC algorithm" is selected and implemented in this thesis. The thesis includes the following contents: + Chapter 1: Introduction + Chapter 2: Literature review of using solar energy source + Chapter 3: Solar PV system + Chapter 4: Power optimization of a solar PV system + Chapter 5: Simulation results + Chapter 6: Conclusions and future works i MỤC LỤC Mục lục....................................................................................................... i Danh sách hình vẽ ......................................................................................iv Danh sách bảng .........................................................................................ix Chương 1 - Giới thiệu chung.......................................................................1 1.1. Giới thiệu ............................................................................................1 1.2. Tính cấp thiết của đề tài ......................................................................2 1.3. Đối tượng nghiên cứu ..........................................................................2 1.4. Phạm vi nghiên cứu .............................................................................2 1.5. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu ........................................................3 1.6. Phương pháp nghiên cứu ......................................................................3 1.7. Tổng quan tình hình nghiên cứu ...........................................................3 1.7.1. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài ...................................................4 1.7.2. Tình hình nghiên cứu trong nước ......................................................6 1.8. Bố cục của luận văn .............................................................................6 Chương 2 - Tổng quan tình hình nghiên cứu và khai thác nguồn năng lượng mặt trời .......................................................................................................8 2.1. Mặt trời ...............................................................................................8 2.2. Quỹ đạo của trái đất quanh mặt trời ................................................... 10 2.3. Góc cao độ của mặt trời vào buổi trưa ................................................ 11 2.4. Bức xạ mặt trời .................................................................................. 13 2.5. Ứng dụng năng lượng mặt trời ........................................................... 17 2.5.1. Pin quang điện ................................................................................ 18 2.5.2. Nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng mặt trời ............................ 19 2.5.3. Động cơ Stirling chạy bằng năng lượng mặt trời ............................. 20 2.5.4. Thiết bị đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời ........................... 20 2.5.5. Thiết bị làm lạnh và điều hoà không khí sử dụng năng lượng mặt ii trời ............................................................................................................ 21 2.6. Tình hình khai thác năng lượng mặt trời tại Việt Nam ........................ 23 Chương 3 - Hệ thống pin quang điện ........................................................ 28 3.1. Giới thiệu .......................................................................................... 28 3.2. Sơ đồ thay thế đơn giản của pin quang điện ....................................... 31 3.3. Sơ đồ thay thế của pin quang điện có xét đến các tổn hao .................. 32 3.4. Module pin quang điện ....................................................................... 33 3.5. Mảng pin quang điện.......................................................................... 34 3.5.1. Nối nối tiếp nhiều module pin quang điện ....................................... 34 3.5.2. Nối song song nhiều module pin quang điện ................................... 35 3.5.3. Nối hỗn hợp nhiều module pin quang điện ...................................... 35 3.6. Các ảnh hưởng đến pin quang điện..................................................... 36 3.6.1. Ảnh hưởng của cường độ chiếu sáng ............................................... 36 3.6.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ ................................................................. 37 3.6.3. Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm .............................................. 37 3.7. Các hệ thống pin quang điện .............................................................. 41 3.7.1. Hệ thống pin quang điện độc lập ..................................................... 42 3.7.2. Hệ thống pin quang điện nối lưới .................................................... 42 3.7.3. Hệ thống pin quang điện kết hợp ..................................................... 43 3.8. Các đặc điểm của hệ thống pin quang điện nối lưới ............................ 44 3.9. Cấu hình DC/DC – DC/AC ................................................................ 45 3.9.1. Bộ biến đổi DC/DC ......................................................................... 45 3.9.2. Bộ biến đổi DC/AC ......................................................................... 49 3.10. PLL 3 pha ........................................................................................ 50 3.10.1. Phase detector ............................................................................... 51 3.10.2. VCO.............................................................................................. 51 3.10.3. Bộ nghịch lưu 6 khóa .................................................................... 58 Chương 4 - Tối ưu hóa công suất phát của hệ thống pin quang điện .......... 62 4.1. Giới thiệu .......................................................................................... 62 iii 4.2. Hệ thống bám điểm công suất cực đại ................................................ 63 4.3. Thuật toán P&O (Perturb and Observation) ........................................ 64 4.4. Thuật toán điện dẫn gia tăng (Inc - Incremental Conductance) ........... 68 4.5. Thuật toán điện áp hằng số ................................................................. 71 4.6. Thuật toán đề xuất xác định điểm công suất cực đại ........................... 73 4.7. Phương pháp điều khiển bộ bám điểm công suất cực đại .................... 74 4.7.1. Phương pháp điều khiển PI.............................................................. 75 4.7.2. Phương pháp điều khiển trực tiếp .................................................... 76 4.7.3. Phương pháp điều khiển đo trực tiếp tín hiệu ra .............................. 78 Chương 5 - Mô phỏng tối ưu hóa công suất của hệ thống pin quang điện .. 79 5.1. Giới thiệu ........................................................................................... 79 5.2. Mô phỏng pin quang điện ................................................................... 81 5.3. Bộ biến đổi công suất điều khiển bám điểm công suất cực đại DC/DC...................................................................................................... 84 5.4. Mô phỏng với điều kiện bức xạ thay đổi và nhiệt độ không đổi .......... 85 5.4.1. Điều kiện bức xạ, G = 1 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C .................... 85 5.4.2. Điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C ................. 87 5.4.3. Điều kiện bức xạ, G = 0,6 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C ................. 88 5.5. Mô phỏng 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 ................. 91 5.5.2. Điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 300C ................. 94 5.5.3. Điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 350C ................. 96 5.6. Mô phỏng với điều kiện bức xạ và nhiệt độ thay đổi .......................... 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 iv DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 2.1. Cấu trúc của mặt trời ...................................................................8 Hình 2.2. Quỹ đạo trái đất quay quanh mặt trời ......................................... 11 Hình 2.3. Hướng nhìn quỹ đạo trái đất ...................................................... 12 Hình 2.4. Góc cao độ mặt trời ................................................................... 13 Hình 2.5. Dải bức xạ điện từ ..................................................................... 14 Hình 2.6. Góc nhìn mặt trời ...................................................................... 15 Hình 2.7. Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển của trái đất ................................................................................................ 16 Hình 2.8. Hệ thống pin quang điện ............................................................ 18 Hình 2.9. Nhà máy điện mặt trời ............................................................... 19 Hình 2.10. Tháp năng lượng mặt trời ........................................................ 20 Hình 2.11. Động cơ Stirling dùng năng lượng mặt trời .............................. 20 Hình 2.12. Hệ thống cung cấp nước nóng dùng sử dụng năng lượng mặt trời ............................................................................................................ 21 Hình 2.13. Tủ lạnh sử dụng pin quang điện ............................................... 22 Hình 2.14. Hệ thống lạnh hấp thụ sử dụng năng lượng mặt trời................. 23 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 pin quang điện ............................................................................ 30 Hình 3.3. Mô hình đơn giản của pin quang điện ........................................ 30 Hình 3.4. Sơ đồ thay thế đơn giản của pin quang điện ............................... 31 Hình 3.5. Các tham số quan trọng của pin quang điện (Dòng điện ngắn mạch, Isc và điện áp hở mạch, Voc)............................................................. 31 Hình 3.6. Mô hình thay thế pin quang điện có xét đến các tổn hao ............ 32 Hình 3.7. Đặc tính của pin quang điện có xét đến các ảnh hưởng của Rs và Rp .............................................................................................................. 33 Hình 3.8. Module pin quang điện .............................................................. 33 v Hình 3.9. Đặc tính của module pin quang điện .......................................... 34 Hình 3.10. Các module pin quang điện được kết hợp nối tiếp với nhau ..... 34 Hình 3.11. Các module pin quang điện được kết hợp song song với nhau . 35 Hình 3.12. Các module pin quang điện được kết hợp hổn hợp với nhau .... 36 Hình 3.13. Đặc tuyến V-I của pin quang điện với các cường độ chiếu sáng khác nhau và nhiệt độ pin quang điện không đổi, 250C ............................. 36 Hình 3.14. Đặc tuyến V-I của pin quang điện với các nhiệt độ khác nhau và cường độ chiếu sáng không đổi 1 kW/m2 ............................................. 37 Hình 3.15. Module pin quang điện với n pin quang điện trong trường hợp module không bị che khuất ................................................................ 38 Hình 3.16. Module pin quang điện với n pin quang điện trong trường hợp module bị che khuất một phần............................................................ 38 Hình 3.17. Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm đối với module pin quang điện ........................................................................................................... 39 Hình 3.18. Module pin quang điện với nhiều pin quang điện bị che khuất. 40 Hình 3.19. Module pin quang điện sử dụng diode bypass.......................... 40 Hình 3.20. Đặc tính của PV trong trường hợp sử dụng diode bypass ......... 41 Hình 3.21. Đánh giá so sánh giữa các trường hợp có và không có diode bypass ....................................................................................................... 41 Hình 3.22. Hệ thống pin quang điện độc lập ............................................. 42 Hình 3.23. Hệ thống pin quang điện nối lưới............................................. 43 Hình 3.24. Hệ thống pin quang điện kết hợp ............................................. 43 Hình 3.25. Sơ đồ khối mô ta hệ thống pin quang điện nối lưới .................. 44 Hình 3.26. Kiểu máy biến áp tần số thấp và cao ........................................ 44 Hình 3.27. Kiểu biến đổi không cách ly bằng máy biến áp ........................ 45 Hình 3.28. Các bộ biến đổi DC-DC chuyển mạch ..................................... 46 Hình 3.29. Bộ biến đổi Buck-Boost .......................................................... 46 Hình 3.30. Sơ đồ xung kích, dòng tải và dòng qua cuộn cảm .................... 48 Hình 3.31. Sơ đồ nghịch lưu 3 pha hòa lưới .............................................. 49 Hình 3.32. Bộ điều nghịch lưu 3 pha hòa lưới ........................................... 50 Hình 3.33. Sơ đồ hệ thống điều khiển PLL ............................................... 51 vi Hình 3.34. Tín hiệu ngõ ra VCO ............................................................... 52 Hình 3.35. Sơ đồ thực hiện bộ PLL 3 pha ................................................. 53 Hình 3.36. Hệ trục tọa độ αβ .................................................................... 53 Hình 3.37. Hệ trục tọa độ dq ..................................................................... 55 Hình 3.38. Toàn bộ hệ thống nghịch lưu hòa lưới sử dụng PLL ................ 56 Hình 3.39. Sơ đồ nguyên lý bộ nghịch lưu 6 khóa ..................................... 58 Hình 3.40. Trạng thái đóng ngắt của các khóa bán dẫn.............................. 58 Hình 3.41. Các vector điện áp chuẩn và các sector .................................... 60 Hình 3.42. Giản đồ đóng ngắt của các khóa .............................................. 61 Hình 4.1. Quan hệ giữa điện áp và dòng điện của pin quang điện.............. 63 Hình 4.2. Thuật toán P&O khi tìm điểm làm việc có công suất cực đại ..... 65 Hình 4.3. Lưu đồ thuật toán P&O ............................................................. 66 Hình 4.4. Sự thay đổi của điểm công suất cực đại theo sự thay đổi của cường độ bức xạ ....................................................................................... 67 Hình 4.5. Thuật toán InC .......................................................................... 69 Hình 4.6. Lưu đồ thuật toán InC................................................................ 71 Hình 4.7. Lưu đồ thuật toán điện áp hằng số ............................................. 72 Hình 4.8. Điều khiển bám điểm công suất cực đại sử dụng phương pháp điều khiển PI ............................................................................................. 75 Hình 4.9. Điều khiển bám điểm công suất cực đại sử dụng phương pháp điều khiển trực tiếp ................................................................................... 76 Hình 4.10. Mối quan hệ giữa tổng trở vào, Rin và hệ số làm việc, D .......... 77 Hình 5.1. Hệ thống pin quang điện nối lưới .............................................. 79 Hình 5.2. Sơ đồ mô phỏng hệ thống pin quang điện nối lưới ..................... 80 Hình 5.3. Hệ thống pin quang điện (10 nối tiếp x 02 song song) ............... 81 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.................................................. 82 Hình 5.5. Đặc tuyến V-I tương ứng với các điều kiện bức xạ 1kW/m2; 0,8kW/m2 và 0,6 kW/m2 và nhiệt độ môi trường 25 0C............... 82 vii Hình 5.6. Đặc tuyến V-P tương ứng với các điều kiện bức xạ, G = 1 kW/m2; 0,8 kW/m2 và 0,6 kW/m2 và nhiệt độ môi trường không đổi, T = 25 0C ........................................................................................... 83 Hình 5.7. Lưới điện 3 pha (Điện áp, 220 V và tần số, 50 Hz) .................... 84 Hình 5.8. Bộ biến đổi công suất điều khiển bám điểm công suất cực đại DC/DC...................................................................................................... 85 Hình 5.9. Công suất của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện bức xạ, G = 1 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C ...................................... 86 Hình 5.10. Điện áp của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện bức xạ, G = 1 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C .............................................. 86 Hình 5.11. Công suất của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C.................................... 87 Hình 5.12. Điện áp của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C ........................................... 88 Hình 5.13. Công suất của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện bức xạ, G = 0,6 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C.................................... 89 Hình 5.14. Điện áp của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện bức xạ, G = 0,6 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C ........................................... 89 Hình 5.15. Đặc tuyến V-P tương ứng với các điều kiện bức xạ không đổi, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ môi trường thay đổi, T = 150C; 300C và 350C ..................................................................................................... 91 Hình 5.16. Đặc tuyến V-P của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 150C ............................ 92 Hình 5.17. Công suất của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 150C.................................... 92 Hình 5.18. Điện áp của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 150C.................................... 93 Hình 5.19. Đặc tuyến V-P của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 300C ............................ 94 Hình 5.20. Công suất của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 300C.................................... 95 viii Hình 5.21. Điện áp của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 300C.................................... 95 Hình 5.22. Đặc tuyến V-P của hệ thống pin quang điện tương ứng với các điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 350C ...................... 96 Hình 5.23. Công suất của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 350C.................................... 97 Hình 5.24. Điện áp của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 350C.................................... 97 Hình 5.25. Cường độ bức xạ thay đổi, G = 0,6 - 1 (kW/m2) ...................... 99 Hình 5.26. Nhiệt độ thay đổi, T = 25 - 35 (0C) .......................................... 99 Hình 5.27. Công suất của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện bức xạ và nhiệt độ thay đổi .............................................................. 100 Hình 5.28. Điện áp của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện bức xạ và nhiệt độ thay đổi .............................................................. 101 ix DANH SÁCH BẢNG Bảng 2.1. Ngày số n của ngày đầu tiên của mỗi tháng ............................... 11 Bảng 2.2. Thống kê góc δ của ngày 21 mỗi tháng ..................................... 12 Bảng 2.3. Tiềm năng năng lượng mặt trời tại Việt Nam ............................ 24 Bảng 3.1. Bảng phân loại tuần hoàn trích lược với tinh thể Silicon thuộc nhóm IV.................................................................................................... 29 Bảng 3.2. Điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu ứng với mỗi trạng thái đóng ngắt ........................................................................................................... 59 Bảng 4.1. Mô tả thuật toán P&O ............................................................... 65 Bảng 5.1. Thông số của 01 pin quang điện và hệ với 10 pin quang điện .... 81 Bảng 5.2. Điểm công suất cực đại tương ứng các điều kiện bức xạ khác nhau .......................................................................................................... 83 Bảng 5.3. Điểm công suất cực đại tương ứng các điều kiện nhiệt độ khác nhau .......................................................................................................... 90 Bảng 5.4. Điểm công suất cực đại tương ứng với các điều kiện bức xạ và nhiệt độ khác nhau .................................................................................... 98 1 Chương 1 Giới thiệu chung 1.1. Giới thiệu Sự cạn kiệt của các nguồn nhiên liệu sản xuất năng điện truyền thống đã và đang được thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng đặc biệt quan tâm. Để giải quyết vấn đề này, đã có rất nhiều đề xuất của việc sử dụng các dạng năng lượng khác nhau để tạo ra năng lượng điện, dưới các dạng năng lượng tái tạo. Một trong số đó có năng lượng mặt trời. Mặt trời là một khối cầu lửa khổng lồ với những phản ứng nhiệt hạch xảy ra liên tục và phát ra nguồn năng lượng dường như vô tận. Những phản ứng nhiệt hạch trên mặt trời đã và đang diễn ra hàng triệu triệu năm mà chưa ai dự đoán được thời điểm kết thúc của nó. Khối cầu lửa khổng lồ ấy mới chỉ truyền một phần năng lượng nhỏ bé của nó xuống trái đất cách xa hàng triệu km mà con người chúng ta đã cảm thấy sức nóng khủng khiếp của mặt trời ở nhiều vùng. Năng lượng mặt trời đã mang lại sự sống cho trái đất và cũng có thể thiêu trụi cả trái đất nếu trái đất không có tầng ô-zôn và khí quyển bảo vệ. Có thể nhận thấy rằng, năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng sạch không giống như bất kỳ một nguồn năng lượng nào khác mà chúng ta đang khai thác trên trái đất. Chẳng hạn như thủy điện có thể gây đột biến dòng chảy của sông và làm mất cân bằng sinh thái ở khu vực hạ lưu dòng sông đó; nhiệt điện có thể gây bụi và ô nhiễm môi trường do các khí COx, SOx và NOx; điện hạt nhân có thể gây ô nhiễm do phóng xạ hạt nhân [1]-[2]. Vì vậy, nếu tận dụng được nguồn năng lượng mặt trời để phục vụ cho nhu cầu năng lượng điện thì đây là một trong các mục tiêu cần phải đạt được của các nhà khoa học. Một trong các ứng dụng chính từ nguồn năng lượng mặt trời là sản xuất năng lượng điện thông qua hệ thống pin quang điện (Photovoltaic, PV). Trong đó, hệ thống pin quang điện này có thể hoạt động độc lập phục vụ trong các hộ gia đình, phục vụ chiếu sáng đường phố cục bộ; hoặc có thể là một hệ thống 2 pin quang điện được kết nối với lưới điện quốc gia. Tuy nhiên, trong các hệ thống pin quang điện này đang tồn tại một vài nhược điểm lớn như sau: - Hiệu suất chuyển đổi của năng lượng mặt trời thành năng lượng điện là tương đối thấp (9 ÷ 17%); - Năng lượng điện được tạo ra bởi hệ thống pin quang điện thay đổi liên tục dưới các điều kiện thời tiết khác nhau. Chính vì các lý do trên, đề tài “Tối ưu hóa công suất phát của hệ thống pin quang điện sử dụng giải thuật InC cải tiến” được lựa chọn và thực hiện trong luận văn này. 1.2. Tính cấp thiết của đề tài Nguồn điện đang gánh chịu các áp lực nặng nề của sự cạn kiệt các nguồn năng lượng sơ cấp truyền thống (nước, nhiên liệu hóa thạch,...). Để giảm bớt các gánh nặng này, cũng như nâng cao hiệu quả khai thác của các nguồn năng lượng tái tạo, cụ thể là nguồn năng lượng mặt trời. Vì vậy, đề tài được xem là cần thiết. 1.3. Đối tượng nghiên cứu Các nghiên cứu sẽ được thực hiện trên một mô hình hệ thống pin quang điện bao gồm: - Hệ thống pin quang điện. - Các bộ biến đổi DC-DC và DC-AC. - Các giải thuật tìm điểm công suất cực đại. 1.4. Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong các nội dung sau: - Tổng quan các hệ thống pin quang điện. - Nghiên cứu các đặc điểm của các đặc tuyến pin quang điện. - Xây dựng một hệ thống pin quang điện nối lưới. 3 - Nghiên cứu các thuật toán bám điểm công suất cực đại dưới các điều kiện bức xạ và nhiệt độ khác nhau sao cho có thể tối ưu hóa vận hành hệ thống pin quang điện. 1.5. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu Đề tài “Tối ưu hóa công suất của hệ thống pin quang điện sử dụng giải thuật InC cải tiến” sẽ được thực hiện với các mục tiêu và nội dung như sau: - Khảo sát tình hình khai thác và sử dụng nguồn năng lượng mặt trời. - Nghiên cứu các đặc tuyến của pin quang điện. - Mô phỏng pin quang điện. - Nghiên cứu và xây dựng một hệ thống pin quang điện. - Mô phỏng nguyên lý làm việc của một hệ thống pin quang điện. - Nghiên cứu vận hành tối ưu và nối lưới của một hệ thống pin quang điện. 1.6. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu các tài liệu về vận hành tối ưu và nối lưới của một hệ thống pin quang điện. - Phân tích, tổng hợp và đề xuất các thuật toán điều khiển vận hành tối ưu và nối lưới của một hệ thống pin quang điện. 1.7. Tổng quan tình hình nghiên cứu Một vài kỹ thuật bám điểm công suất cực đại đã được đề xuất và giới thiệu, chẳng hạn như thuật toán xáo trộn và giám sát (Pertuation & Observation algorithm, P&O), thuật toán gia tăng độ dẫn (Incremental Conductance algorithm, InC), mạng nơ-rôn nhân tạo, Fuzzy logic, v.v... Các kỹ thuật này khác nhau ở một vài khía cạnh và quan điểm bao gồm: tính chất đơn giản của thuật toán, tốc độ hội tụ của thuật toán, tính chất phức tạp của việc thực hiện các phần ứng thực nghiệm, cũng như chi phí thực hiện cho mỗi giải pháp.