Tài liệu Nghiên cứu điều khiển bám điểm công suất cực đại của một hệ pin mặt trời

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM --------------------------- NGUYỄN DUY AN NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CỦA MỘT HỆ PIN MẶT TRỜI LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số ngành: 60520202 TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM --------------------------- NGUYỄN DUY AN NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CỦA MỘT HỆ PIN MẶT TRỜI 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 01 năm 2016 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học : ………………………………………. (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 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........năm 20... NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN DUY AN Giới tính: NAM Ngày, tháng, năm sinh: Nơi sinh: Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN MSHV: I- Tên đề tài: NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CỦA MỘT HỆ PIN MẶT TRỜI II- Nhiệm vụ và nội dung: - Tổng quan tình hình khai thác và sử dụng năng lượng điện mặt trời tại Việt Nam. - Nghiên cứu và mô phỏng các đặc tính V-I và V-P của pin quang điện. - Nghiên cứu và phân tích các đặc tính V-I và V-P của pin quang điện. - Nghiên cứu thuật toán điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ pin quang điện. III- Ngày giao nhiệm vụ: IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: V- Cán bộ hướng dẫn: 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 sôố liệu và kêốt quả nghiên cứu được trình bày trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bôố ở bâốt 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 dâẫn đâầy đủ nguôần gôốc. Học viên thực hiện Luận văn Nguyêễn Duy An LỜI CÁM ƠN Đâầu tên, xin chân thành cám ơn TS. HUỲNH CHÂU DUY đã tận tình giúp đỡ, đóng góp những ý kiêốn quý báu và hướng dâẫn em thực hiện Luận văn này. Xin cám ơn quý Thâầy, Cô đã trang bị cho em các kiêốn thức quý báu trong quá trình học tập giúp em đủ kiêốn thức để thực hiện Luận văn này. Xin cảm ơn tập thể lớp 14SMĐ11 đã động viên và giúp đỡ em trong quá trình thực hiện Luận văn này. Cuôối 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 em đang công tác đã tạo các điêầu kiện tôốt nhâốt cho em thực hiện Luận văn này. Nguyêễn Duy An i Tóm tăắt Luận văn tập trung các vâốn đêầ liên quan đêốn “Nghiên cứu điêều khiển bám điểm công suấắt cực đại của một hệ pin mặt trời” mà bao gôầm các nội dung như sau: + Chương 1: Giới thiệu chung + Chương 2: Tổng quan tình hình nghiên cứu và khai thác nguôần năng lượng điện mặt trời + Chương 3: Pin quang điện + Chương 4: Giải thuật bám điểm công suâốt cực đại + Chương 5: Mô phỏng điêầu khiển bám điểm công suâốt cực đại của một hệ pin mặt trời + Chương 6: Kêốt luận và hướng phát triển tương lai ii Abstract The thesis presents issues relatng to "Maximum power point tracking control of solar energy systems" that includes the following contents: + Chapter 1: Introducton + Chapter 2: Literature review of the exploitaton and utlization of the solar energy source + Chapter 3: Photovoltaic cell + Chapter 4: Algorithms for maximum power point tracking + Chapter 5: Simulaton results of a solar energy system with maximum power point tracking + Chapter 6: Conclusions and future works 3 MỤC LỤC Tóm tăốt............................................................................................................ i Mục .........................................................................................................iii lục Danh sách hình veẫ ........................................................................................ vi Danh sách bảng.............................................................................................. x Chương 1 - Giới thiệu chung ......................................................................... 1 1.1. Giới thiệu ............................................................................................... 1 1.2. Tính câốp thiêốt của đêầ tài ........................................................................ 3 1.3. Đôối tượng nghiên cứu ............................................................................ 3 1.4. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................... 3 1.5. Mục têu và nội dung nghiên cứu .......................................................... 3 1.6. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................... 4 1.7. Bôố cục của luận văn ............................................................................... 4 Chương 2 - Tổng quan tình hình nghiên cứu và khai thác nguôần năng lượng mặt trời ............................................................................................... 5 2.1. Câốu trúc mặt trời .................................................................................... 5 2.2. Quyẫ đạo của trái đâốt quanh mặt trời ...................................................... 7 2.3. Góc cao độ của mặt trời vào buổi trưa .................................................. 8 4 2.4. Bức xạ mặt trời .................................................................................... 10 2.5. Ứng dụng năng lượng mặt trời ............................................................ 13 2.5.1. Pin mặt trời ....................................................................................... 14 2.5.2. Nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng mặt trời ............................ 15 2.5.3. Động cơ Strling chạy băầng năng lượng mặt trời ............................. 16 2.5.4. Thiêốt bị đun nước nóng băầng năng lượng mặt trời ........................... 17 2.5.5. Thiêốt bị làm lạnh và điêầu hòa không khí dùng năng lượng mặt trời 18 2.6. Tình hình khai thác năng lượng mặt trời tại Việt Nam ....................... 19 2.7. Tổng quan tình hình nghiên cứu .......................................................... 23 5 Chương 3 - Pin quang điện .......................................................................... 26 3.1. Giới thiệu .............................................................................................. 26 3.2. Sơ đôầ thay thêố đơn giản của PV ........................................................... 28 3.3. Sơ đôầ thay thêố của PV có xét đêốn các tổn hao...................................... 29 3.4. Module PV............................................................................................ 30 3.5. Mảng PV............................................................................................... 32 3.5.1. Nôối nôối têốp nhiêầu module PV ........................................................... 32 3.5.2. Nôối song song nhiêầu module PV ....................................................... 32 3.5.3. Nôối hôẫn hợp nhiêầu module PV .......................................................... 33 3.6. Các ảnh hưởng đêốn PV ......................................................................... 33 3.6.1. Ảnh hưởng của cường độ chiêốu sáng ................................................ 33 3.6.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ .................................................................... 34 3.6.3. Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm................................................ 35 3.7. Các hệ thôống PV ứng dụng................................................................... 39 3.7.1. Hệ thôống PV kêốt nôối lưới................................................................... 39 3.7.2. Hệ thôống PV độc lập ................................... ...................................... 40 3.7.3. Hệ thôống PV kêốt hợp ......................................................................... 40 Chương 4 - Giải thuật bám điểm công suâốt cực đại .................................... 45 4.1. Giới thiệu .............................................................................................. 45 4.2. Giải thuật P&O (Perturbaton & Observaton)..................................... 46 4.3. Giải thuật điện dâẫn gia tăng InC (Incremental Conductance) .............. 50 4.4. Giải thuật điện áp hăầng sôố .................................................................... 52 4.5. Đêầ xuâốt giải thuật bám điểm công suâốt cực đại, P&O cải têốn và sự khác biệt so với thuật toán P&O.................................................................. 54 4.6. Phương pháp điêầu khiển MPPT............................................................ 57 4.6.1. Phương pháp điêầu khiển PI ............................................................... 57 4.6.2. Phương pháp điêầu khiển trực têốp...................................................... 58 4.6.3. Phương pháp điêầu khiển đo trực têốp tn hiệu ra ............................... 61 Chương 5 - Mô phỏng điêầu khiển bám điểm công suâốt cực đại của một 6 hệ pin mặt trời.............................................................................................. 62 5.1. Giới thiệu ............................................................................................. 62 5.2. Mô phỏng các đặc tnh của PV............................................................. 64 5.3. Mô phỏng và các kêốt quả của trường hợp bức xạ mặt trời thay đổi chậm ......................................................... ................................................... 67 5.4. Mô phỏng và các kêốt quả của trường hợp bức xạ mặt trời thay đổi nhanh ........................................................................................................... 70 5.5. Mô phỏng và các kêốt quả của trường hợp bức xạ mặt trời thay đổi (tăng và giảm) .............................................................................................. 73 Chương 6 - Kêốt luận và hướng phát triển tương lai ................................... 76 Tài liệu tham khảo ...................................................................................... 78 7 DANH SÁCH HÌNH VẼẼ Hình 2.1. Câốu trúc của mặt trời Hình 2.2. Quyẫ đạo trái đâốt quay quanh mặt trời Hình 2.3. Một cách nhìn quyẫ đạo trái đâốt để dêẫ tnh góc  Hình 2.4. Góc cao độ mặt trời Hình 2.5. Dải bức xạ điện từ Hình 2.6. Góc nhìn mặt trời Hình 2.7. Quá trình truyêần năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển của trái đâốt Hình 2.8. Hệ thôống pin mặt trời Hình 2.9. Nhà máy điện mặt trời Hình 2.10. Tháp năng lượng mặt trời Hình 2.11. Động cơ Stirling dùng năng lượng mặt trời Hình 2.12. Hệ thôống cung câốp nước nóng dùng năng lượng mặt trời Hình 2.13. Tủ lạnh dùng pin mặt trời Hình 2.14. Hệ thôống lạnh hâốp thụ dùng năng lượng mặt trời Hình 2.15. Hệ thôống máy lạnh năng lượng mặt trời Hình 3.1. Phổ năng lượng mặt trời Hình 3.2. Nguyên tăốc chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện của PV Hình 3.3. Mô hình đơn giản của PV Hình 3.4. Sơ đôầ thay thêố đơn giản của PV Hình 3.5. Các tham sôố quan trọng của PV: dòng điện ngăốn mạch, Isc và điện áp hở mạch, Voc Hình 3.6. Mô hình thay thêố PV có xét đêốn các tổn hao Hình 3.7. Đặc tnh PV có xét đêốn các ảnh hưởng của Rs và Rp Hình 3.8. Module PV Hình 3.9. Đặc tnh của module PV Hình 3.10. Các module PV được kêốt hợp nôối têốp với nhau vii Hình 3.11. Các module PV được kêốt hợp song song với nhau Hình 3.12. Các module PV được kêốt hợp hôẫn hợp với nhau Hình 3.13. Đặc tuyêốn V-I của PV với các cường độ chiêốu sáng khác nhau và 0 nhiệt độ PV không đổi, 25 C Hình 3.14. Đặc tuyêốn V-I của PV với các nhiệt độ khác nhau và cường độ chiêốu sáng không đổi 1 kW/m 2 Hình 3.15. Module PV với n PV trong trường hợp module không bị che khuâốt Hình 3.16. Module PV với n PV trong trường hợp module bị che khuâốt một phâần Hình 3.17. Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm đôối với module PV Hình 3.18. Module PV với nhiêầu PV bị che khuâốt Hình 3.19. Module PV sử dụng diode bypass Hình 3.20. Đặc tnh của PV trong trường hợp sử dụng diode bypass Hình 3.21. Đánh giá so sánh giữa các trường hợp có và không có diode bypass Hình 3.22. Hệ thôống PV kêốt nôối lưới Hình 3.23. Hệ thôống PV độc lập Hình 3.24. Hệ thôống PV kêốt hợp Hình 3.25. Sơ đôầ hệ thôống điện gia đình Hình 4.1. Quan hệ điện áp và dòng điện của PV Hình 4.2. Giải thuật P&O khi tìm điểm làm việc có công suâốt lớn nhâốt Hình 4.3. Lưu đôầ giải thuật P&O Hình 4.4. Sự thay đổi điểm MPP theo gia tăng bức xạ Hình 4.5. Giải thuật InC Hình 4.6. Lưu đôầ giải thuật InC Hình 4.7. Lưu đôầ giải thuật điện áp không đổi Hình 4.8. Đặc tnh V-I của PV tương ứng với các cường độ bức xạ khác nhau là các dòng điện ngăốn mạch khác nhau Hình 4.9. Lưu đôầ giải thuật P&O cải têốn Hình 4.10. Sơ đôầ khôối phương pháp điêầu khiển MPPT sử dụng bộ bù PI Hình 4.11. Sơ đôầ khôối của phương pháp điêầu khiển trực têốp MPPT 8 Hình 4.12. Môối quan hệ giữa tổng trở vào Rin và hệ sôố làm việc D Hình 5.1. Pin quang điện RS - P618 - 22 Hình 5.2. Sơ đôầ mô phỏng điêầu khiển bám điểm công suâốt cực đại của hệ thôống pin quang điện Hình 5.3. Đặc tnh V-I của pin quang điện RS - P618 - 22 Hình 5.4. Đặc tnh V-P của pin quang điện RS - P618 - 22 Hình 5.5. Đặc tnh V-I của pin quang điện RS - P618 - 22 trong trường hợp 0 nhiệt độ không đổi (t = 25 C) và bức xạ mặt trời thay đổi (G = 1kW/m 2  2 5kW/m ) Hình 5.6. Đặc tnh V-P của pin quang điện RS - P618 - 22 trong trường hợp 0 nhiệt độ không đổi (t = 25 C) và bức xạ mặt trời thay đổi (G = 1kW/m 2  2 5kW/m ) Hình 5.7. Đặc tnh V-I của pin quang điện RS - P618 - 22 trong trường hợp 0 0 nhiệt độ thay đổi (t = 25 C  100 C) và bức xạ mặt trời không đổi (G = 1 2 kW/m ) Hình 5.8. Đặc tnh V-P của pin quang điện RS - P618 - 22 trong trường hợp 0 0 nhiệt độ thay đổi (t = 25 C  100 C) và bức xạ mặt trời không đổi (G = 1 2 kW/m ) Hình 5.9. Mô phỏng sự thay đổi chậm của bức xạ mặt trời của pin quang điện RS - P618 - 22 Hình 5.10. Công suâốt ngõ ra đạt được trong trường hợp sử dụng và không sử dụng thuật toán P&O tương ứng với sự thay đổi chậm của bức xạ mặt trời Hình 5.11. Công suâốt ngõ ra đạt được trong trường hợp sử dụng và không sử dụng thuật toán P&O cải têốn tương ứng với sự thay đổi chậm của bức xạ mặt trời 9 Hình 5.12. So sánh công suâốt ngõ ra đạt được trong trường hợp sử dụng thuật toán P&O và thuật toán P&O cải têốn tương ứng với sự thay đổi chậm của bức xạ mặt trời Hình 5.13. Mô phỏng sự thay đổi nhanh của bức xạ mặt trời của pin quang điện RS - P618 - 22 9 Hình 5.14. Công suâốt ngõ ra đạt được trong trường hợp sử dụng và không sử dụng thuật toán P&O tương ứng với sự thay đổi nhanh của bức xạ mặt trời Hình 5.15. Công suâốt ngõ ra đạt được trong trường hợp sử dụng và không sử dụng thuật toán P&O cải têốn tương ứng với sự thay đổi nhanh của bức xạ mặt trời Hình 5.16. So sánh công suâốt ngõ ra đạt được trong trường hợp sử dụng thuật toán P&O và thuật toán P&O cải têốn tương ứng với sự thay đổi nhanh của bức xạ mặt trời Hình 5.17. Mô phỏng sự tăng và giảm của bức xạ mặt trời của pin quang điện RS - P618 - 22 Hình 5.18. Công suâốt ngõ ra đạt được trong trường hợp sử dụng và không sử dụng thuật toán P&O tương ứng với sự tăng và giảm của bức xạ mặt trời Hình 5.19. Công suâốt ngõ ra đạt được trong trường hợp sử dụng và không sử dụng thuật toán P&O cải têốn tương ứng với sự tăng và giảm của bức xạ mặt trời Hình 5.20. So sánh công suâốt ngõ ra đạt được trong trường hợp sử dụng thuật toán P&O và thuật toán P&O cải têốn tương ứng với sự tăng và giảm của bức xạ mặt trời 1 0 DANH SÁCH BẢNG Bảng 2.1. Bảng ngày sôố n của ngày đâầu tên của môẫi tháng Bảng 2.2. Bảng thôống kê góc  của ngày 21 môẫi tháng Bảng 2.3. Tiêầm năng năng lượng mặt trời tại Việt Nam Bảng 3.1. Bảng phân loại tuâần hoàn trích lược với tnh thể Silicon thuộc nhóm IV Bảng 4.1. Bảng tóm tăốt giải thuật P&O 1 Chương 1 Giới thiệu chung 1.1. Giới thiệu Vâốn đêầ khủng hoảng năng lượng điện đã và đang được các quôốc trên thêố giới, trong đó có Việt Nam đặc biệt quan tâm. Để giải quyêốt vâốn đêầ này, đã có râốt nhiêầu các đêầ xuâốt của việc sử dụng các dạng năng lượng khác nhau để tạo ra năng lượng điện. Một trong sôố đó có năng lượng mặt trời. Mặt trời là một khôối câầu lửa khổng lôầ, tại đó những phản ứng nhiệt hạch xảy ra liên tục và phát ra nguôần năng lượng dường như vô tận. Những phản ứng nhiệt hạch trên mặt trời đã và đang diêẫn ra hàng triệu triệu năm mà chưa ai dự đoán được thời điểm kêốt thúc của nó. Quả câầu lửa mặt trời khổng lôầ này mới chỉ truyêần một phâần năng lượng nhỏ bé của nó xuôống trái đâốt với khoảng cách hàng triệu km. Năng lượng mặt trời đã mang lại sự sôống cho trái đâốt và cũng có thể thiêu trụi cả trái đâốt nêốu trái đâốt không có tâầng ô zôn và khí quyển bảo vệ. Có thể nhận thâốy răầng, năng lượng mặt trời là một nguôần năng lượng sạch không giôống như bâốt kỳ một nguôần năng lượng nào khác mà chúng ta đang khai thác trên trái đâốt. Chẳng hạn như thủy điện có thể gây đột biêốn dòng chảy của sông và làm mâốt cân băầng sinh thái ở khu vực hạ lưu dòng sông đó; nhiệt điện gây bụi và ô nhiêẫm môi trường băầng khí COx và NOx; còn điện hạt nhân có khả năng gây nhiêầu nguy cơ kinh khủng hơn nữa. Nêốu có thể tận dụng được nguôần năng lượng mặt trời để phục vụ đời sôống và phát triển đâốt nước là một công việc râốt có ích và có thể bảo vệ được môi trường sinh thái [1]. Một trong các ứng dụng chính ở tâầm vĩ mô của nguôần năng lượng mặt trời là bài toán sản xuâốt năng lượng điện thông qua hệ thôống pin quang điện (Photovoltaic cell, PV). Các ứng dụng này có thể độc lập trong các hộ gia đình, phục vụ chiêốu sáng công cộng, phương tện di chuyển, quân sự và các ứng dụng không gian hoặc là một hệ thôống điện năng lượng mặt trời sử dụng PV được kêốt nôối với lưới điện quôốc gia. Trong các hệ thôống PV này đang tôần tại hai vâốn đêầ lớn: 2 - Hiệu suâốt chuyển đổi của năng lượng mặt trời thành năng lượng điện là râốt thâốp (9 ÷ 17%), đặc biệt là trong các điêầu kiện bức xạ thâốp; - Năng lượng điện được tạo ra bởi PV thay đổi liên tục dưới các điêầu kiện thời têốt khác nhau. Mặt khác, đặc tnh V–I của PV là phi tuyêốn và cũng seẫ thay đổi dưới các điêầu kiện nhiệt độ và bức xạ khác nhau. Trên các đặc tuyêốn V–I hoặc V–P, tôần tại một điểm làm việc duy nhâốt mà được gọi là điểm công suâốt cực đại (Maximum power point, MPP). Vị trí của các MPP là không xác định trước được, nhưng có thể xác định được thông qua các mô hình tnh toán hoặc các thuật toán tìm kiêốm trong quá trình vận hành. Khi các MPP đã được xác định, các kyẫ thuật bám MPP seẫ được sử dụng để duy trì điểm làm việc của các PV luôn luôn là tại MPP. Bên cạnh đó, việc kêốt nôối lưới hệ thôống 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 meẫ liên quan đêốn ô nhiêẫm môi trường khi con người sử dụng các phương án lưu trữ thông qua ăốc-quy. Với các phân tch trên cho thâốy răầng hiệu suâốt chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện của hệ PV là hoàn toàn có thể được tôối ưu, nhăầm nâng cao hiệu quả khai thác. Điêầu này cũng có nghĩa là seẫ giảm bớt gánh nặng cho các nguôần năng lượng điện truyêần thôống như thủy điện hay nhiệt điện. Ngoài ra, việc lưu trữ nguôần năng lượng điện từ các nguôần năng lượng tái tạo, cụ thể là năng lượng mặt trời cũng là một bài toán khó. Giải pháp kêốt nôối hệ thôống điện năng lượng mặt trời với lưới điện quôốc gia là một trong các giải pháp được đánh giá hiệu quả cao. Chính vì các lý do trên, đêầ tài “Nghiên cứu điêều khiển bám điểm công suấắt cực đại của một hệ pin mặt trời” được lựa chọn và thực hiện trong luận văn này.